中科院纳米能源所李琳琳&王中林团队《Adv. Mater.》：受生物启发人体自身产生电场促进纳米酶的电子极化提高肿瘤治疗

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设计具有活性的纳米材料，催化内源性分子或在外源刺激下，在组织局部产生过量的活性氧分子（ROS）达到治疗目的，在恶性肿瘤等的治疗方面展示出巨大的应用潜力。例如，纳米酶能够催化肿瘤微环境中的内源性分子生成毒性物质杀死肿瘤细胞，具有更好的治疗特异性和生物安全性。目前，如何提高纳米酶在特定组织的催化效率，从而提高治疗效果，是其最急需解决的问题。

在天然蛋白酶中，Electrostatic Preorganization 效应被认为在酶与底物结合、酶活性中心的电荷密度、酶催化动力学等方面起到关键的调控作用。在此基础上，已有研究发现，外加电场能够调控酶活性位点的电荷分布和催化性能。那么，如果将外源电场作用于纳米酶，是否也能够调控、提高纳米酶的催化活性，从而达到提高疗效的目的？

中科院北京纳米能源与系统研究所李琳琳课题组前期工作合成了一维π-π共轭铁卟啉共价有机框架-碳纳米管(COF-CNT)，通过纳米催化和光动力治疗同时促进ROS的生成，提高抗肿瘤效果（Mater. Horiz. 2021, 8, 3457-3467；Nano-Micro Letters2021, 13, 176）。在以上想法的启发下，他们将该具有π-共轭和电子离域的COF-CNT纳米酶与自驱动的摩擦纳米发电机（TENG）结合，设计了人体运动产生电场促进纳米酶的电子极化来提高其催化活性的系统（简称为TENG-CatSystem），提高癌症的催化治疗。在可穿戴式TENG提供的电场下，COF-CNT的类过氧化物酶（POD）活性提高了约4倍。使用TENG-CatSystem进行小鼠4T1乳腺癌治疗，疗效与单独的纳米酶相比显著提高。

图一. COF-CNT和PC的制备及表征。

通过5,10,15,20-四（4-氨基苯基）-21H，23H-铁卟啉（TAPP-Fe）和2,5-二羟基对苯二甲醛（DHPA）之间的希夫氏碱缩合反应，在多壁碳纳米管外包覆COF获得COF-CNT （图一）。随后制备了含有COF-CNT的PEDOT:PSS导电水凝胶（简称为PC）。PC不仅为COF-CNT的电子在电场下的快速传输和分离提供了理想的介质，也提高了COF-CNT在肿瘤组织的蓄积。

图二. TENG的制备和输出性能测试。

图三. 纳米酶和导电水凝胶的力学和催化性能

可穿戴的TENG穿戴在手臂上时，能够在手指的摩擦下产生脉冲电场，强度可根据TENG的尺寸等进行调控（图二）。导电水凝胶具有良好的可注射性，以及合适的剪切变稀特性（图三）。在人体自发电场下，复合了纳米酶的水凝胶（PC）的类POD酶的Michaelis-Menten动力学常数为3.2 mM，活性是没有电场下PC的4倍左右。COMSOL模拟发现，在自发电场的作用下，电荷极化发生在COF-CNT的表面，极化模达~23 C m^-2，从而加速了电子的产生和移动，提高了COF-CNT的类POD酶活性。

图四. TENG-CatSystem的细胞水平抗肿瘤效果和机理研究

进一步评估了其体内、外的抗肿瘤效果（图四、五）。发现体外模拟肿瘤微环境下, TENG-CatSystem具有极高的细胞杀伤效果，导致细胞内ROS升高，细胞外钙内流，细胞发生氧化损伤和凋亡。用于体内4T1乳腺癌肿瘤治疗时，同样获得了最佳的抗肿瘤效果。

图五. TENG-CatSystem的体内抗肿瘤治疗效果。

总的来说，这一自驱动的催化促进系统——TENG-CatSystem，能够大大提高纳米酶的催化活性，提高癌症催化治疗效果。与传统的电刺激手段相比，可穿戴式TENG可以免除使用笨重的电刺激器，具有自驱动能力，生物安全性高，调控灵活等优点。这一工作提出了通过自驱动外源电场提高纳米酶活性的新方法，也展示了一种患者自我控制的全新治疗模式的可能性。近期，该研究成果以“Bioinspired Electron Polarization of Nanozyme with Human Self-Generated Electric Field for Cancer Catalytic Therapy”为题发表在学术期刊Advanced Materials上。文章的第一作者是中科院北京纳米能源与系统研究所的博士生姚顺成，通讯作者为中科院北京纳米能源所王中林院士和李琳琳研究员。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109568

李琳琳课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/lilinlin

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