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中科院納米能源所李琳琳/王中林 Cell Biomaterials：基于納米鈀-微生物雜化體系的自供電調節系統用于癌癥催化治療

2025-03-01 來源：高分子科技

納米催化治療通過催化病灶部位特異性底物生產治療性物質實現治療，光、磁場和電場等外部能量場能夠作為能量觸發器加速催化進程，在惡性腫瘤等治療方面展示出誘人的應用前景。如何在不影響正常組織的情況下施加非侵入性刺激，最大限度地提高催化效率，仍具有重大挑戰。中國科學院北京納米能源與系統研究所李琳琳課題組前期研發了利用人體運動自我驅動的自供能、可穿戴摩擦電刺激器件，通過安全、高效的脈沖電刺激，有效提高了腫瘤納米催化治療（Adv. Mater. 2022, 2109568; Nat. Comm. 2024, 15: 8097; Adv. Funct. Mater. 2022, 2209142; Adv. Funct. Mater. 2023, 2305625; Small, 2024, 20, 2307087）。

MR-1@Pd與可穿戴自供電摩擦電器件結合提高癌癥催化治療示意圖。

在此基礎上，他們一直致力進一步于提高自供能電刺激系統作用于納米催化的效率，以期進一步提高治療效果。近日，他們在Cell Biomaterials期刊上發表相關研究結果，借助電活性微生物希瓦氏菌Shewanella Oneidensis MR-1的細胞外電子轉移鏈，在細胞膜上原位合成鈀納米顆粒，獲得了對自供能電刺激具有良好電響應的生物-非生物催化雜化體MR-1@Pd，并且揭示了自供能電刺激通過3種途徑共同促進催化治療效果：1）自供能電刺激提高Pd納米顆粒和MR-1的類過氧化物酶（POD）活性，促進MR-1和Pd納米顆粒內及生物-非生物界面的電子轉移；2）自供能電刺激改變MR-1基因組，上調與細胞代謝、生物合成、乳酸分解代謝等過程相關的基因表達，進一步提高MR-1@Pd催化活性；3）自供能電刺激提高MR-1@Pd消耗乳酸的能力，調節腫瘤微環境的乳酸堆積和異常代謝。靜脈注射后，具有良好生物安全性的MR-1@Pd能自主導航到乏氧腫瘤組織，實現高效治療。

圖一. MR-1@Pd的制備及表征

MR-1是兼性厭氧菌。在厭氧條件下，借助MR-1的細胞外電子轉移鏈，無外加還原劑時在細胞膜上原位合成了Pd納米顆粒，尺寸2–8納米（圖一）。自供電電刺激下MR-1@Pd的類POD活性提高了2.1倍，類谷胱甘肽過氧化物酶（GSHOx）活性提高了3.02倍。研究發現，電刺激不僅增強了MR-1@Pd的電子產生和傳遞能力，而且調控了MR-1@Pd中與電子產生和傳遞相關的基因（圖三）。在體外細胞實驗和小鼠乳腺癌模型上，MR-1@Pd均體現出良好的生物安全性和腫瘤細胞殺傷能力（圖三～五）。經靜脈注射后，MR-1@Pd能自主巡航到乏氧腫瘤組織，柔性可穿戴摩擦電器件通過無創微針電極遞送電刺激，實現了高效、安全的腫瘤治療。

圖二. 自供電電刺激下MR-1@Pd的催化活性和電調制效果。

圖三. 自供電電調制系統的體外抗腫瘤效果。

圖四. 利用微針電極進行腫瘤靶向和電場應用。

圖五. 利用自供電電調制系統對皮下4T1腫瘤BALB/c小鼠進行體內癌癥治療。

近期，該研究成果以“A Self-powered Electromodulative System Based on An Abiotic-biotic Hybrid for Cancer Catalytic Therapy”為題發表在Cell Biomaterials第一卷第一期上（Cell Biomaterials, 2025, 1, 1, 100007）。文章的第一作者是中國科學院北京納米能源與系統研究所姚順成博士，通訊作者為李琳琳研究員和王中林院士。

論文鏈接：https://www.cell.com/cell-biomaterials/fulltext/S3050-5623(24)00007-2

李琳琳課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/lilinlin

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（責任編輯：xu）

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