【人物与科研】中科院北京纳米能源与系统研究所李舟课题组：磁性互斥结构植入式摩擦纳米发电机控制的药物精准递送系统实现高效的肿瘤治疗
导语
摩擦纳米发电机（TENG）是2012年王中林院士提出的基于耦合摩擦起电和静电感应的装置，可以将环境中的机械能转化为电能，具有高电压、低电流的特点。TENG在神经系统、循环系统、细胞调节、杀菌及可降解电子器件等生物医学领域具有广泛的应用，对穿戴式和植入式电子医疗领域的发展具有重要的意义。近日，中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员课题组首次完成了磁性互斥结构的植入式摩擦纳米发电机（MTENG）的研制，磁铁的同级斥力使得磁铁纳米发电机在封装和植入后仍然能够保持长久稳定的电能输出。课题组将MTENG与叉指电极或微针电极结合，使得输出的电场对装载阿霉素的红细胞膜具有精准的控制释放作用。进一步，课题组与中科院过程工程研究所魏炜研究员合作，在二维肿瘤细胞、三维肿瘤球以及小鼠体内实体肿瘤三个层面，均实现了低浓度给药剂量前提下的优异肿瘤治疗效果。相关研究成果以“Highly Efficient In Vivo Cancer Therapy by an Implantable Magnet Triboelectric Nanogenerator”为题发表于最新一期国际著名学术期刊Adv. Funct. Mater.(DOI: 10.1002/adfm.201808640)。
图1. 高性能且稳定输出的可植入磁铁纳米发电机控制药物递送。磁铁纳米发电机可精准控制红细胞内的抗癌药物在肿瘤部位的释放，从而实现优异的体内抗肿瘤效率。
（来源：Adv. Funct. Mater.）
李舟研究员简介
李舟，北京纳米能源与系统研究所研究员，博士生导师，国家万人计划“青年拔尖”（2017）。获得武汉大学医学学士学位和北京大学博士学位，曾留学于美国佐治亚理工大学。现任中国生物医学工程学会青委会副主任委员、中科院北京纳米能源与系统研究所生物与环境平台主任、课题组长。入选教育部“新世纪优秀人才”（2012）、北京市“科技新星”（2012）、北京市“高创计划”青年拔尖人才（2015）。主要从事植入式和穿戴式电子医疗器件、生物传感器、可降解医疗器件的研究。发表SCI论文60余篇，其中在Science和Nature的子刊上发表论文3篇，在影响因子大于10的国际顶级学术期刊上以第一作者或通信作者身份发表论文共26篇，被引次数超过2500次。获得2017年北京市科学技术二等奖（省部级，第一完成人）、国际医学与生物工程联合会（IFMBE）青年科学家奖、中国发明协会金奖（排名第一）和生物医学工程大会青年论文竞赛一等奖等奖励。
前沿科研成果
磁性互斥结构植入式摩擦纳米发电机控制的药物精准递送系统实现高效的肿瘤治疗
随着科技工业的发展以及老龄化社会的来临，癌症已经成为严重威胁人类健康的高发病症之一。据统计，2018年全球癌症患者约一千八百万人，并且每年癌症患者数目在不断增加。目前，化学治疗是适用范围最广的肿瘤治疗手段，但仍然具有很多的问题，包括严重的毒副作用和较低的治疗效果。如作为化疗明星药物的阿霉素，常常会引起包括心脏中毒、抑制骨髓生长、黏膜炎以及秃头等一系列的毒副作用。因此，具有靶向肿瘤部位的药物递送系统成为近些年研究的热点。最为理想的目标是建立可以将化疗药物定点输送到病灶部位的药物递送系统，以提高肿瘤细胞的杀伤效率并减少毒副作用的发生；更进一步地，如果能够实现药物在肿瘤部位的可控释放，这将会是更为优越的治疗手段。
以细胞囊泡为基础的药物递送系统具有得天独厚的优势，其中，红细胞具有长达120天的体内循环时间、良好的稳定性和伸缩性、无外移植物的免疫原性等诸多优点，是一种很好的肿瘤药物递送载体。同时，载药红细胞可对高压电场刺激产生响应性释放。但传统高压电源设备体积庞大、安全系数低、患者无法自主操作，这些因素阻碍了电场控制式药物递送系统在肿瘤治疗中的应用。因此急需发展一种安全性高、特异性好、疗效显著且可控释放的新型药物递送系统。
在该研究中，作者首先制备了小型的具有磁性互斥结构的植入式摩擦纳米发电机（MTENG），圆形结构的MTENG可以有效避免边角等尖锐部位对植入部位的刺激性（图2A，B）。MTENG的主要工作原理为聚四氟乙烯和钛片在接触摩擦过程中表面产生等量异种电荷，在彼此分离后产生的电势差驱使电子在外部电路中流动从而产生电流（图2C，D）。MTENG的最大优势在于封装后和植入后电学性能依旧能够保持很好的稳定性，2.5 cm直径的MTENG在封装和植入后均可产生高达70 V、550 nA和25 nC的电学输出（图2F，G）。
（来源：Adv. Funct. Mater.）
接下来，作者通过低渗透析的方法将抗肿瘤药物阿霉素装载入从昆明小鼠中提取的红细胞（RBC）膜内，通过共聚焦显微镜以及流式细胞仪观察到结构完好、装载率高达90%的载药红细胞膜体系（图3A）。该体系具有极低的阿霉素动力学释放特性，7天后细胞膜仍然完好，并且有多达70%的阿霉素留在膜内。
进一步，作者将MTENG与叉指电极结合，由COMSOL拟合可知底部电场强度高达4 KV/cm（图3B）。如图3C所示，在MTENG产生的电场刺激1 h后，大约40.3%的阿霉素从红细胞膜中释放出来，并且释放量在8 h后达到59.7%。相对而言，不加电场刺激的对照组，只有14.4%的阿霉素从红细胞膜中释放出来。然后，下一个实验中作者首先使用MTENG产生的电场刺激10 min，可以观察到3倍高于本底值的阿霉素释放，而电场消失后，释放量迅速回归本底值，验证了阿霉素只有在电场存在时会加速释放（图3D，E）。作者通过扫描电子显微镜观察到，原始红细胞和装载阿霉素的红细胞膜保持了结构完好的两面凹形圆饼状，而在电场刺激后的红细胞膜上观察到了纳米孔，电场消失后纳米孔也随之消失（图3F-I）。由此，作者得到了MTENG控制的药物释放系统（图3J）。
图3. MTENG控制的载药红细胞膜释放系统
（来源：Adv. Funct. Mater.）
接下来，作者采用相同的装置验证在二维海拉肿瘤细胞层面应用的可行性。首先，海拉细胞过夜贴壁生长，当载药红细胞沉降到与海拉细胞到达同一平面后（图4A），作者再利用MTENG产生的电场刺激1 h，之后将海拉细胞与载药红细胞继续培养24 h，通过cck-8实验测定肿瘤细胞杀伤能力（图4B，C）。单纯的电场、不载药红细胞以及电场和不载药红细胞同时作用均不会对海拉细胞活性产生影响。0.1 μg/mL游离的阿霉素使细胞活性下降到70.4%，MTENG的电场作用使得阿霉素的杀伤性有了稍许提高，达到62.7%。作者采用相同阿霉素含量的载药红细胞使得细胞活性降到40.9%，得到比单纯阿霉素更有效的肿瘤治疗效果。更重要的是，通过MTENG刺激后的海拉细胞活性迅速下降到20.9%，并且从活死细胞染色实验得到相同的结论（图4D-K）。以上数据证明了MTENG控制的药物递送系统在二维细胞层面应用的可行性和合理性。
图4. MTENG控制载药红细胞药物递送系统在二维海拉细胞层面的应用
（来源：Adv. Funct. Mater.）
二维的细胞培养体系被广泛用于研究药物递送系统的抗肿瘤能力，但是这在一定程度上忽略了实体瘤生长的时间和空间复杂性。接下来，作者采用更加先进的三维肿瘤细胞球体系模拟真实的肿瘤生长，再使用MTENG结合微针电极实施电场刺激（图5）。通过有限元分析，400 μm间距的两根微针周围可产生高达5 KV/cm的高压电场。作者使用荧光显微镜观察到载药红细胞可以有效地进入三维肿瘤球内部，很好地符合了实体瘤的EPR效应（图5C-E）。作者共设计了六组实验条件，对照组不进行任何处理（Control）、不载药红细胞加MTENG电场组（RBC+EF）、游离阿霉素组（DOX）、阿霉素加MTENG电场组（DOX+EF）、载药红细胞组（D@RBC）以及载药红细胞加MTENG电场组（D@RBC+EF），并采用冷冻切片的TUNEL染色来评定各实验组对三维肿瘤球的细胞杀伤能力（图5F）。RBC+EF组同对照组一样，并未发现肿瘤细胞凋亡；DOX组、DOX+EF组、D@RBC组均有约15%的凋亡细胞。而D@RBC+EF组死亡肿瘤细胞比例高达41.4%，表现出最为优异的肿瘤细胞杀伤能力。随后，三维肿瘤团生长曲线表明，DOX+EF组、D@RBC组肿瘤细胞球八天后生长到原体积的200%，DOX组生长到原体积300%，对照组和RBC+EF组生长到500%，而D@RBC+EF实验组在最开始几天便停止生长，证明了MTENG控制的药物递送系统在三维肿瘤球层面同样具有高效的肿瘤细胞杀伤效果。
图5. 电场控制的红细胞递送系统在三维肿瘤细胞球层面的应用
（来源：Adv. Funct. Mater.）
最后，作者研究了MTENG控制的红细胞药物递送系统在BALB/c荷瘤裸鼠模型中的抗肿瘤效果（图6）。如图6A所示，作者采用了与三维细胞球实验中相同的微针刺激装置。小动物成像系统显示，在尾静脉注射6 h后，载药红细胞到达肝脏和肿瘤部位，并在48 h后肝部和肿瘤部位含量相当，72 h后肝部荧光强度迅速下降，相对而言，肿瘤部位只有少量下降（图6B）。随后，作者研究了六组共60只荷瘤小鼠的肿瘤实际生长速率。小鼠在第零天在左后背部皮下部位接受海拉细胞注入，并在第六天、第八天和第十天分别接受尾静脉阿霉素注射，浓度为5 mg/kg。对照组和EF组肿瘤生长很快，阿霉素的注入在一定程度上抑制了肿瘤的生长，加入电场并未产生明显增强效果，而由于肿瘤部位存在EPR效应，D@RBC组表现出相对更好的抑瘤效率。作者发现，MTENG控制的D@RBC+EF组对肿瘤生长的抑制效果是最优的（图6D），在30天后从该组获得了最小体积的肿瘤（图6E）。与此同时，通过Ki67免疫组化染色可以观察到对比其他五组，D@RBC+EF组中肿瘤细胞的增殖得到了最好的抑制。更为重要的是，D@RBC+EF组小鼠的生存周期也得到了显著的延长，5只小鼠中只有2只在54天死亡，而其他组荷瘤小鼠在46天以内就已经全部死亡（图6G）。作者由以上数据证明了MTENG控制的药物递送系统在小鼠实体瘤层面具有优异的抑瘤效果。
图6. 电场控制的红细胞递送系统在小鼠实体瘤层面的应用
（来源：Adv. Funct. Mater.）
结语：中科院北京纳米能源与系统研究所李舟课题组开发了一种磁性互斥结构植入式摩擦纳米发电机控制的药物精准递送系统，实现了在二维肿瘤细胞层面、三维肿瘤细胞球层面、小鼠实体瘤层面的高效的肿瘤治疗，为安全可控型药物递送系统提供了一种新的思路和解决方法。博士生赵超超、副研究员封红青和博士生张莉君为并列第一作者；李舟研究员和魏炜研究员为共同通讯作者。该项工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金以及国家万人计划“青年拔尖”人才的经费支持。
关于人物与科研
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