东北林大孙铁东课题组 CEJ：双酶活性纳米酶负载的MXene实现了热疗增强的肿瘤催化治疗

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肿瘤微环境（TME）以缺氧、高水平过氧化氢和谷胱甘肽（GSH）过度表达为特征，广泛参与肿瘤的发展。肿瘤的猖獗生长和血管系统的不成熟限制了氧供应，导致TME具有缺氧特征，这已成为氧依赖治疗的主要障碍。此外, TME的复杂性和特异性对传统肿瘤治疗的有效性有着至关重要的影响。人们一直致力于开发治疗肿瘤的纳米药物。然而，当前的治疗策略受到缺氧环境、生物障碍和生物医学制剂活性降低的阻碍。因此，实现TME响应性高效治疗和TME调节治疗仍然具有挑战性。

近年来，具有天然酶催化活性的合成纳米酶因其在多种生物医学应用中的重要前景而备受关注，代表了纳米医学的一个新兴领域。然而, 在实际医疗应用之前，纳米酶同样面临着许多挑战, 例如在复杂的生物环境中活性有限，特别是纳米酶在TME中引起过度聚集，导致其催化活性显著降低。对此, 东北林业大学孙铁东和哈尔滨工业大学吴志光团队合作报道了一种基于MXene的Ti₃C₂/CeO₂-PVP纳米复合材料, 它具备热疗增强的双酶催化活性, 发挥协同作用实现增强肿瘤治疗效果。

作者以Ti₃AlC₂为前驱体，采用酸刻蚀、超声剥离方法制备了厚度约为1.5 nm左右的超薄Ti₃C₂ MXene纳米片。随后将3-4纳米左右的CeO₂纳米粒子负载到Ti₃C₂ MXene纳米片上, 通过PVP进一步修饰构成了 Ti₃C₂/CeO₂-PVP纳米复合材料。在这种结构中, CeO₂纳米粒子由于其Ce³⁺和Ce⁴⁺的混合价态及其氧空位的存在, 而表现出类似过氧化氢酶和过氧化物酶的活性，从而赋予它们作为纳米酶的能力。CeO₂纳米酶的类过氧化氢酶和过氧化物酶活性可缓解乏氧和提升TME中的氧化应激。此外, CeO₂纳米酶可通过氧化还原反应消耗过表达的GSH, 从而提升氧化应激。Ti₃C₂ MXene则具备优异的光热性能从而实现了光热治疗。更重要的是，在近红外光辐照下, Ti₃C₂/CeO₂-PVP在体内被高温诱导, 纳米酶在TME中的催化活性显著增强, 治疗效率也得到了显著提高。Ti₃C₂/CeO₂-PVP实现了光热效应和双酶活性同时用于增强肿瘤催化治疗。相关成果以“Dual Active Nanozyme-Loaded MXene Enables Hyperthermia-Enhanced Tumor Nanocatalytic Therapy”为题发表在Chem. Eng. J.。

图一： Ti₃C₂/CeO₂-PVP纳米复合材料的制备以及热疗增强纳米催化治疗肿瘤示意图。

图二：Ti₃C₂/CeO₂纳米复合材料的表征。(a) Ti₃C₂ MXene的TEM图像。(b) CeO₂纳米酶的TEM图像。(c) Ti₃C₂/CeO₂纳米复合材料的TEM图像和（d）放大的TEM图像。(e) Ti₃C₂/CeO₂纳米复合材料的元素mapping（C、Ti、Ce和O）。(f) 原子力显微镜测量的Ti₃C₂ MXene厚度。(g) CeO₂的XRD分析。(h) Ti₃C₂/CeO₂纳米复合材料的XPS分析。(i) Ti₃C₂/CeO₂纳米复合材料的EDS和元素含量分析。

图三：Ti₃C₂/CeO₂-PVP纳米复合材料的光热性能。(a) (1) Ti₃C₂, (2) Ti₃C₂/CeO₂, 和 (3) Ti₃C₂/CeO₂-PVP的粒径大小。(b) 不同合成步骤下样品的Zeta电位。(c) Ti₃C₂/CeO₂-PVP不同时间点在不同溶剂中的粒径分布。(d) 不同浓度（4、8、16、32和64 μg mL^-1）的Ti₃C₂/CeO₂-PVP溶液的紫外-可见光谱。(e) 不同浓度的Ti₃C₂/CeO₂-PVP溶液在P= 1.5 W cm^-2的功率下的光热升温曲线。(f) Ti₃C₂/CeO₂-PVP溶液（100μg mL^-1）在808 nm激光照射下的红外热成像。（g）不同的激光功率Ti₃C₂/CeO₂-PVP溶液的光热升温曲线。(h) Ti₃C₂/CeO₂-PVP溶液在808 nm激光器照射5个开关循环的加热冷却曲线。(i) Ti₃C₂/CeO₂-PVP溶液的加热和冷却曲线。

图四：Ti₃C₂/CeO₂-PVP纳米复合材料的体内治疗效果。(a) BALB/c小鼠的肿瘤部位的红外热成像。(b) BALB/c小鼠肿瘤的升温曲线 BALB/c小鼠的温度曲线。(c) 治疗期间的肿瘤体积，（1）NIR，（2）PBS，（3）Ti₃C₂/CeO₂-PVP，（4）Ti₃C₂ + NIR，（5）Ti₃C₂/CeO₂-PVP + NIR。(d) Ti₃C₂/CeO₂-PVP纳米复合材料注射后不同时间点的Ti的生物分布。(e) Ti₃C₂/CeO₂-PVP纳米复合材料的血液循环曲线。计算出半衰期（T_1/2）约为1.12小时。(f) 不治疗条件下20天后的小鼠和相应肿瘤的数码照片。(g)不同治疗条件下小鼠主要器官的H&E染色。

文章第一作者为东北林业大学硕士研究生唐明璐，通讯作者为东北林业大学孙铁东副教授和哈尔滨工业大学吴志光教授。

论文信息

Minglu Tang, Yangtian Shi, Liang Lu, Jingqi Li, Zhaocong Zhang, Jiatong Ni, Wenxin Wang, Yanhua Zhang, Tiedong Sun, Zhiguang Wu, Dual active nanozyme-loaded MXene enables hyperthermia-enhanced tumor nanocatalytic therapy, Chemical Engineering Journal, Volume 449, 2022, 137847, ISSN 1385-8947

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137847

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