施剑林院士/陈雨AM：肿瘤并行催化疗法！铜单原子可并行催化产生两种自由基！

纳米催化药物最近被提议用于肿瘤治疗，通过引发肿瘤内的催化化学反应，从无毒/低毒物质中产生有毒物质。因此，由于在正常组织/器官中不存在这种化学反应，因此这使得肿瘤特异性治疗没有明显的副作用。在涉及纳米催化肿瘤治疗的各种策略中，肿瘤内反应性氧（ROS）的产生已成为诱导恶性肿瘤细胞凋亡或坏死或两者兼而有之的主要方法之一。如：PDT、SDT、RT以及CDT。

但是，据知，上述所有肿瘤治疗方式均仅使用一种反应物O₂、H₂O₂或H₂O产生ROS（分别为超氧离子O₂•^-、单线态氧¹O₂或羟基自由基•OH）。但是受到实体瘤的乏氧和内源性细胞抗氧化防御机制，所作出的改进都存在一定的局限性，因此，建议通过多种含氧反应物的平行催化反应直接同时产生多个ROS，可以显着提高肿瘤治疗效果。

在自然界中，具有多个铜活性位点的多铜氧化酶（MCO）与氮和硫、尿酸氧化酶和具有单个铜活性位点的azurins配位，可以有效地催化氧的有机氧化。尽管在最近几十年中，已经进行了大量模拟MCO的试验，但尚未确定单个铜位是否在细胞内生物分子（如还原型谷胱甘肽（GSH），蛋白质，核酸和脂质）的氧化中具有催化活性，进而诱导细胞凋亡和或坏死。此外，主要归因于溶解离子的纳米材料的潜在毒性在很大程度上限制了其临床应用。这鼓励开发具有高疗效、相对较低的金属浓度和可忽略的副作用的纳米催化药物。

成果简介

有鉴于此，中科院上海硅酸盐研究所施剑林院士、陈雨研究员等人合成了一个由氮原子配位的生物启发性铜单原子催化剂，该催化剂可以通过两个平行的生物分子氧化反应直接催化氧和过氧化氢同时生成两种类型的ROS，这是天然MCOs不能实现的。特别是，可以通过将H₂O₂和O₂分别直接和同时分别催化转化为•OH和O₂•^-来氧化细胞内生物分子，而无需外部能量输入，从而获得概念验证性肿瘤并行催化疗法（PCT）。

合成空心碳球催化剂（Cu-HNCS）的主要过程如下：

首先，制备了SiO₂纳米球（NSs）和Cu-TIPP。然后，将SiO₂ NSs，Cu-TIPP，TIPP和α，α'-二溴对二甲苯混合，通过季铵化反应生产SiO₂@Cu-TIPP/TIPP-聚合物。最后，通过在氢气/氩气气氛中进行热解，然后进行NH₄HF₂蚀刻，将SiO₂@Cu-TIPP/TIPP-聚合物转变为Cu-HNCS。Cu-TIPP形成中的螯合反应和季铵化反应对于Cu-N-C单原子位的形成至关重要。

图|Cu‐HNCS的合成过程，形态和微观结构

图|（a）螯合反应和（b）季铵化反应示意图

确定结构

为了确定Cu-HNCS中孤立的Cu原子的氧化态，X射线吸收近边缘结构（XANES）进行了测量。结果表明铜价在+1和+2之间。根据AC HAADF‐STEM，XRD和XAFS结果，可以确定Cu是原子分散的。且Cu-HNCS中的主要Cu-N结构最有可能是Cu-N₄。值得注意的是，Cu-HNCS中的氮配位的铜单原子表现出出色的Fenton活性，计算的周转频率（TOF）值比商业化的Fe₃O₄中的Fe原子高约5000倍。

图|通过XANES，EXAFS，XPS和拉曼光谱进行结构表征

催化机理

结合DFT模拟，作者提出可能的催化机理为：

i）第一步是在Cu-N₄活性位点吸收H₂O₂分子。

ii）被吸附的H₂O₂均匀解离，形成两个* OH基团。

iii）之后，生成一个自由羟基自由基，这是速率限制步骤。

iv）残留的* OH可以吸收H⁺，从而形成吸收的H₂O分子。

最后，在吸附的H2O分子解吸后，催化剂返回到其初始状态。

图|DFT计算Fenton反应

抗肿瘤效果显著，

体外细胞实验结果表明，Cu-HNCS催化剂能够通过平行催化机制并以催化活性依赖性方式诱导细胞死亡。此外，Cu-HNCS的氧气剥夺作用可能导致氧气供应不足和营养供应减少，因此提高了对肿瘤的治疗效果。

在4T1荷瘤小鼠中评估了催化剂抑制肿瘤生长的作用，Cu-HNCS水凝胶在28 d的治疗期内显着抑制了肿瘤的生长，且其相对肿瘤抑制率逐渐增加并在治疗结束时达到93％，表明对肿瘤具有相对长期的抑制作用。此外，对照组中的所有小鼠在34 d内死亡。相比之下，Cu-HNCS组中的所有小鼠均存活超过48天，从而表明存活率显着提高。这些结果表明，催化剂中铜的量可忽略不计（每只小鼠约0.36 µg）可以基本上抑制肿瘤的生长，因此具有很高的临床潜力。

图|皮下肿瘤模型中的并行催化疗法

小结：

综上所述，设计了一种并行催化治疗（PCT）的策略，通过直接催化氧气和过氧化氢平行生成超氧离子和羟基自由基，分别用于靶生物分子的氧化和损伤。未来，其它物质（如H2O）也有可能成为PCT的反应物。相信本研究为基于纳米催化药物作用机制的肿瘤并行催化治疗提供了一个合理的策略。

参考文献：

Lu,X., et al., Bioinspired Copper Single‐Atom Catalysts for Tumor ParallelCatalytic Therapy. Adv. Mater. 2020, 2002246.

https://doi.org/10.1002/adma.202002246

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