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  設(shè)計(jì)具有活性的納米材料，催化內(nèi)源性分子或在外源刺激下，在組織局部產(chǎn)生過量的活性氧分子（ROS）達(dá)到治療目的，在惡性腫瘤等的治療方面展示出巨大的應(yīng)用潛力。例如，納米酶能夠催化腫瘤微環(huán)境中的內(nèi)源性分子生成毒性物質(zhì)殺死腫瘤細(xì)胞，具有更好的治療特異性和生物安全性。目前，如何提高納米酶在特定組織的催化效率，從而提高治療效果，是其最急需解決的問題。

  在天然蛋白酶中，Electrostatic Preorganization 效應(yīng)被認(rèn)為在酶與底物結(jié)合、酶活性中心的電荷密度、酶催化動(dòng)力學(xué)等方面起到關(guān)鍵的調(diào)控作用。在此基礎(chǔ)上，已有研究發(fā)現(xiàn)，外加電場能夠調(diào)控酶活性位點(diǎn)的電荷分布和催化性能。那么，如果將外源電場作用于納米酶，是否也能夠調(diào)控、提高納米酶的催化活性，從而達(dá)到提高療效的目的？

  中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李琳琳課題組前期工作合成了一維π-π共軛鐵卟啉共價(jià)有機(jī)框架-碳納米管(COF-CNT)，通過納米催化和光動(dòng)力治療同時(shí)促進(jìn)ROS的生成，提高抗腫瘤效果（Mater. Horiz. 2021, 8, 3457-3467；Nano-Micro Letters2021, 13, 176）。在以上想法的啟發(fā)下，他們將該具有π-共軛和電子離域的COF-CNT納米酶與自驅(qū)動(dòng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）結(jié)合，設(shè)計(jì)了人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電場促進(jìn)納米酶的電子極化來提高其催化活性的系統(tǒng)（簡稱為TENG-CatSystem），提高癌癥的催化治療。在可穿戴式TENG提供的電場下，COF-CNT的類過氧化物酶（POD）活性提高了約4倍。使用TENG-CatSystem進(jìn)行小鼠4T1乳腺癌治療，療效與單獨(dú)的納米酶相比顯著提高。

圖一. COF-CNT和PC的制備及表征。

  通過5,10,15,20-四（4-氨基苯基）-21H，23H-鐵卟啉（TAPP-Fe）和2,5-二羥基對(duì)苯二甲醛（DHPA）之間的希夫氏堿縮合反應(yīng)，在多壁碳納米管外包覆COF獲得COF-CNT （圖一）。隨后制備了含有COF-CNT的PEDOT:PSS導(dǎo)電水凝膠（簡稱為PC）。PC不僅為COF-CNT的電子在電場下的快速傳輸和分離提供了理想的介質(zhì)，也提高了COF-CNT在腫瘤組織的蓄積。

圖二. TENG的制備和輸出性能測試。

圖三. 納米酶和導(dǎo)電水凝膠的力學(xué)和催化性能

  可穿戴的TENG穿戴在手臂上時(shí)，能夠在手指的摩擦下產(chǎn)生脈沖電場，強(qiáng)度可根據(jù)TENG的尺寸等進(jìn)行調(diào)控（圖二）。導(dǎo)電水凝膠具有良好的可注射性，以及合適的剪切變稀特性（圖三）。在人體自發(fā)電場下，復(fù)合了納米酶的水凝膠（PC）的類POD酶的Michaelis-Menten動(dòng)力學(xué)常數(shù)為3.2 mM，活性是沒有電場下PC的4倍左右。COMSOL模擬發(fā)現(xiàn)，在自發(fā)電場的作用下，電荷極化發(fā)生在COF-CNT的表面，極化模達(dá)~23 C m^-2，從而加速了電子的產(chǎn)生和移動(dòng)，提高了COF-CNT的類POD酶活性。

圖四. TENG-CatSystem的細(xì)胞水平抗腫瘤效果和機(jī)理研究

  進(jìn)一步評(píng)估了其體內(nèi)、外的抗腫瘤效果（圖四、五）。發(fā)現(xiàn)體外模擬腫瘤微環(huán)境下, TENG-CatSystem具有極高的細(xì)胞殺傷效果，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS升高，細(xì)胞外鈣內(nèi)流，細(xì)胞發(fā)生氧化損傷和凋亡。用于體內(nèi)4T1乳腺癌腫瘤治療時(shí)，同樣獲得了最佳的抗腫瘤效果。

圖五. TENG-CatSystem的體內(nèi)抗腫瘤治療效果。

  總的來說，這一自驅(qū)動(dòng)的催化促進(jìn)系統(tǒng)——TENG-CatSystem，能夠大大提高納米酶的催化活性，提高癌癥催化治療效果。與傳統(tǒng)的電刺激手段相比，可穿戴式TENG可以免除使用笨重的電刺激器，具有自驅(qū)動(dòng)能力，生物安全性高，調(diào)控靈活等優(yōu)點(diǎn)。這一工作提出了通過自驅(qū)動(dòng)外源電場提高納米酶活性的新方法，也展示了一種患者自我控制的全新治療模式的可能性。

  近期，該研究成果以“Bioinspired Electron Polarization of Nanozyme with Human Self-Generated Electric Field for Cancer Catalytic Therapy”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上。文章的第一作者是中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的博士生姚順成，通訊作者為中科院北京納米能源所王中林院士和李琳琳研究員。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109568

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