近年来，通过纳米材料产生过量活性氧(ROS)在癌症治疗中的应用引起了广泛关注。具有催化活性的纳米材料可以催化肿瘤微环境中的特定分子产生ROS，导致肿瘤细胞氧化损伤和死亡。而光动力学治疗（PDT）通过光激发光敏剂生成ROS导致细胞死亡。然而，在严格的肿瘤微环境下，如何提高纳米材料产生ROS的效率，并彻底破坏肿瘤细胞的抗氧化系统仍是一大挑战。共价有机框架(covalent organic frameworks，COFs)作为一类新兴的周期性有机多孔聚合物，以其独特的物理化学和结构特性在气体分离、能量存储、传感、催化、药物递送等方面取得了极大的研究进展。

  近日，中科院北京纳米能源与系统研究所李琳琳研究员课题组，设计了一维(1D) π-π共轭铁卟啉-碳纳米管(COF-CNT)共价有机框架，通过纳米催化和光动力治疗同时促进ROS的生成提高抗肿瘤效果。发现具有扩展π-π共轭结构的COF-CNT的类过氧化物酶（POD）催化活性比没有π-π共轭结构的TAPP-Fe-CNT 提高了6.8倍，这归因于π-π共轭结构和原子级分散的催化活性中心周围的全电子离域作用。这项工作为设计纳米材料用于促进活性氧产生和疾病治疗提供了一种新的策略。

图一. COF-CNT的制备及表征。

  通过5,10,15,20-四（4-氨基苯基）-21H，23H-铁卟啉（TAPP-Fe）和2,5-二羟基对苯二甲醛（DHPA）之间的Schiff Base（-C=N-）缩合反应，在多壁碳纳米管上合成了COF（COF-CNT）（图一）。合成的COF-CNT具有扩展的π-π共轭结构和π-电子离域的最大化。

图二. COF-CNT的催化性能及光热性能测试。

  类POD活性通过3,3''，5,5''-四甲基联苯胺（TMB）在H₂O₂下催化生成的·OH显色反应检测。相比之下，在弱酸性TME（pH=6.5）下，COF-CNT的催化活性比没有π-π共轭的材料高6.8倍（图二）。同时，通过检测以100 μM H₂O₂为底物的催化反应后溶液中溶解氧的含量，揭示了COF-CNT的类CAT活性。pH为6.5时，溶解氧在120秒内达到12.14 mg L^-1。最后研究了COF-CNT的光动力和光热性能。在808 nm激光（1 W cm^-2）照射下，COF-CNT（60 μg mL^-1）在10分钟内温度升高达45℃，光热转化效率达43.7%。以在单线态氧（¹O₂）下可分解的1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）为指示剂，揭示了光动力学过程。在808 nm激光（1 W cm^-2）照射2 min后，COF-CNT分解了80%的DPBF。

图三. 催化和电子转移机理。

  从以上结果来看，COF-CNT在TME条件下可以高效催化两种不同的反应。以TAPP-Fe-CNT为对照，他们使用DFT计算分析了COF结构提高催化和PDT效率的原因（图三）。计算发现：1）一维管状COF结构扩展了π-电子离域，促进了氧化还原反应过程中电子的获取。从静电势能图来看，与TAPP-Fe相比，COF中Fe活性中心的电子云分布从-0.036降低到-0.028，这反映了催化活性中心附近电子离域的增强。2）一维管状COF结构具有封闭的受限环绕结构，具有与CNT相似的曲率效应。与平面COF结构相比，封闭环结构不仅能促进整个封闭区域内的电子离域，而且能加速中间体和产物的脱附。3）由于碳纳米管的高导电性和离域sp²碳结构，碳纳米管作为核壳纳米管的核心进一步加速催化过程中的电子传输，电化学阻抗谱（EIS）结果也支持这一结论。4）从态密度（DOS）分布图可见，COF结构增加了易激发基态电子的数量，使COF-CNT中更多的电子可以被光激发到激发激子态（S_n）。S_n通过系间穿越（ISC）转移到三重态激子（T_n），进而与基态分子氧发生能量转移生成¹O₂。因此单重态激子数量的增加必然促进最终的¹O₂生成。

图四. COF-CNT的体外治疗效果。

  由于COF-CNT具有良好的催化性能和近红外光动力学性能，进一步评估了其体内外的抗肿瘤效果（图四、五）。发现体外模拟肿瘤微环境下（pH6.5, H₂O₂）, COF-CNT具有极高的细胞杀伤效果，导致细胞内ROS升高，并暴露CRT抗原。用于体内4T1乳腺癌肿瘤治疗时，单次治疗即可实现治疗组所有动物肿瘤消退，在此过程免疫性细胞死亡（ICD）过程通过呈递抗原促进树突状细胞成熟，激活CD4⁺和CD8⁺ T细胞，并分泌促炎细胞因子发挥抗肿瘤免疫作用。

图五. COF-CNT的体内肿瘤治疗效果及免疫效应。

  总的来说，铁卟啉COF包覆在碳纳米管上获得了π-π共轭和原子级分散的Fe催化活性位点的电子离域，从而同时提高了纳米催化和PDT性能。通过实验和计算对COF-CNT和TAPP-Fe-CNT的性能进行了系统的比较，结果表明，一维COF结构具有扩展的π-电子离域，对中间产物的吸附能降低，这大大加快了催化氧化还原反应动力学，也促进了PDT中的能量转移。通过单次治疗，成功地实现了高恶性程度的三阴性乳腺癌的完全消退。这项工作不仅实现了光激活的纳米酶催化和PDT与抗肿瘤免疫的协同作用，而且提出了通过合理的π-电子调控触发ROS生成的新概念。

  近期，该研究成果以”π-π Conjugation Promoted Nanocatalysis for Cancer Therapy Based on Covalent Organic Framework”为题发表在学术期刊Materials Horizons上。文章的第一作者是中科院北京纳米能源与系统研究所的硕士生姚顺成，通讯作者为李琳琳研究员。

  论文链接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/MH/D1MH01273H

  实验室主页：https://www.x-mol.com/groups/lilinlin