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中科院納米能源所李琳琳團(tuán)隊《Adv. Funct. Mater.》：自驅(qū)動電調(diào)節(jié)銅單原子納米酶d帶電子促進(jìn)癌癥治療
2023-07-25  來源：高分子科技

  近年來，設(shè)計納米酶在腫瘤局部催化產(chǎn)生有毒活性氧物質(zhì)（ROS）成為提高癌癥治療的一種有效策略。與天然蛋白酶相比，納米酶具有穩(wěn)定性高、易于制造和成本低等優(yōu)勢。如何開發(fā)在腫瘤微環(huán)境（TME）下具有高催化活性和選擇性的納米酶是目前的一大挑戰(zhàn)。盡管最近開發(fā)的單原子納米酶（SAzymes）被認(rèn)為能夠最大限度地提高原子利用效率，但其內(nèi)在催化活性遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期。因此，不斷探索提升SAzymes催化生成毒性ROS效率的方法顯得刻不容緩以提高癌癥的治療效果。


  中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李琳琳團(tuán)隊前期工作發(fā)現(xiàn)，自驅(qū)動電場能夠模擬天然蛋白酶的electrostatic preorganization effect，改變納米酶的電荷分布并提高其催化活性（Adv. Mater. 2022, 2109568; Adv. Funct. Mater. 2022, 2209142; ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 6, 7855）。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊進(jìn)一步設(shè)計了基于可穿戴摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）和單原子銅納米酶（Cu-NC）的自驅(qū)動電刺激增強(qiáng)催化系統(tǒng)用于改善癌癥治療。研究發(fā)現(xiàn)，Cu-NC具有過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等多種類酶活性。自驅(qū)動電場能夠促進(jìn)H2O2在單原子Cu活性位點上的吸附，使Cu費(fèi)米能級附近的dxy軌道提高，Cu的d帶中心發(fā)生位移，從而使多種類酶活性大幅提高，形成級聯(lián)反應(yīng)，放大癌細(xì)胞的氧化損傷和死亡。這種高效的自驅(qū)動電場增強(qiáng)納米催化系統(tǒng)為腫瘤催化治療提供了可行的策略，為優(yōu)化SAyzmes開辟了新的思路。 


Cu-NC在摩擦納米發(fā)電機(jī)提供的自驅(qū)動電刺激下用于癌癥治療的示意圖 


圖一. Cu-NC的合成及表征


  通過球差電鏡表征單原子Cu均勻的分布在氮摻雜碳載體上。同步輻射的X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）光譜和擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）光譜結(jié)果表明，Cu原子的價態(tài)在+1和+2之間，并且Cu-NC只有一個與Cu-N鍵相關(guān)的主峰，沒有發(fā)現(xiàn)與Cu-Cu鍵相關(guān)的峰，證實了Cu的原子級分散。擬合結(jié)果顯示每個Cu原子與3.9 ± 0.6個N原子配位，Cu-N鍵長為1.96 ± 0.05 ?，表明Cu原子在Cu-NC中主要以CuN4形式存在。 


圖二. 自供電電刺激下TENG的性能和Cu-NC的催化活性 


圖三. DFT計算驗證電刺激促進(jìn)了Cu-NC的POD樣活性


  他們制作了一種接觸分離模式的TENG，整個器件靈活、重量輕、尺寸小，可以輕松佩戴在人的手腕上，方便操作。他們利用TENG穩(wěn)定可控地提供電刺激，并研究了其對Cu-NC催化活性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Cu-NC具有四種類酶活性，分別是類POD，CAT，OXD和GSHOx活性。自驅(qū)動電刺激下，四種酶活均得到顯著提高。催化反應(yīng)動力學(xué)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有利于活性中心與底物的結(jié)合，提高催化反應(yīng)速率。密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加電場時，H2O2在Cu-NC上的吸附能降低了0.28 eV，說明H2O2與Cu活性中心的結(jié)合更易發(fā)生，這與動力學(xué)測試的結(jié)果高度一致。同時在電刺激下，活性中心費(fèi)米能級附近的DOS顯著增加，并出現(xiàn)了新的混合電子態(tài)，表明活性位點與底物之間的相互作用更強(qiáng)，加速了催化過程中的電荷轉(zhuǎn)移。而且，電刺激后Cu的d帶中心向靠近費(fèi)米能級移動，表明H2O2更容易吸附在Cu上。這些結(jié)果符合前沿電子軌道理論，表明電刺激有利于增強(qiáng)Cu-NC的催化活性。 


圖四. TENG提供的電刺激下Cu-NC在細(xì)胞水平上的癌癥催化治療 


圖五. 在TENG提供的電刺激下使用Cu-NC對小鼠進(jìn)行體內(nèi)癌癥治療


  Cu-NC在體內(nèi)外具有良好的生物相容性。通過TENG電刺激進(jìn)行4T1乳腺癌治療時，  電刺激作用下Cu-NC實現(xiàn)了最佳的腫瘤治療效果（圖四、五）。


  總之，該工作采用自驅(qū)動電提高了銅單原子納米酶（Cu-NC）的活性用于癌癥治療。電刺激顯著提高了Cu-NC的類POD、CAT、OXD和GSHOx酶活性，并形成級聯(lián)反應(yīng)，放大癌細(xì)胞的氧化損傷和死亡。與傳統(tǒng)電源相比，靈活可穿戴的TENG為智能醫(yī)療提供了更加生物安全、便捷的電刺激方式。這項工作為自供電刺激進(jìn)行腫瘤催化治療提供了可行的策略。


  近期，該研究成果以“Self-driven electricity modulates d-band electrons of copper single-atom nanozyme for boosting cancer therapy”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Adv. Funct. Mater.上。文章的第一作者是中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的博士生鐘頌婧，通訊作者為李琳琳研究員。


  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305625


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

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