中科院纳米能源所李琳琳/王中林《Adv. Mater.》：无线控制、可植入和全降解的摩擦电器件用于癌症治疗

2023-07-03 来源：高分子科技

肿瘤治疗场（TTFields）通过电场干扰肿瘤细胞的有丝分裂，于2011年首次获得美国食品和药物管理局（FDA）的批准，用于治疗复发性多形性胶质母细胞瘤。虽然TTFields在临床应用中取得了一定的成效，但目前TTFields治疗需要复杂的电线连接，繁琐的设备，治疗时间长，而且可能带有潜在的风险因素。因此，开发一种无线控制、可植入、可降解并且治疗效率高的电刺激器件，能够为TTFields的发展提供新的机遇。

中科院北京纳米能源与系统研究所李琳琳研究员和王中林院士团队设计了一种可植入、可生物降解和无线控制的治疗性摩擦纳米发电机（ET-TENG）用于恶性肿瘤治疗。ET-TENG具有超薄、柔性、可植入、可降解的结构特点。在超声波（US）的刺激下，植入的ET-TENG可以产生交变电场，同时向肿瘤组织释放微量的抗有丝分裂药物，如多烯紫杉醇。交变电场和药物的共同作用引起细胞微管蛋白和肌动蛋白的下调，破坏了微管和肌动蛋白丝的组装，导致细胞周期停滞和细胞死亡。该器件只需花费较短的时间（总长90分钟，VS临床批准的TTField需每天至少18小时）就能实现高效的肿瘤治疗，而且不需要二次手术移除，避免感染和肿瘤转移风险。这项工作为未来发展电触发的智能癌症治疗奠定了基础。

超声驱动的无线ET-TENG治疗癌症的示意图

图一. ET-TENG的制备、输出性能和生物相容性。

响应外部超声的ET-TENG尺寸为1厘米×1厘米，总厚度约为130微米，由两层独立的薄膜和夹在中间的空气层组成。上层复合膜为掺有中空结构共价有机框架纳米笼（hCOF）的约60 μm的聚（ε-己内酯）（PCL）纳米纤维膜（记为PCL-hCOF），其上沉积了一个约100 nm的镁层作为背电极。在纯PCL纳米纤维层上沉积了镁层作为摩擦层，形成下层复合膜。两层独立的薄膜组通过热压组装、自封装形成ET-TENG。在频率为23KHz、功率强度为0.8W cm^-2的超声下，ET-TENG产生~3.2V的电压输出。同时，药物释放行为具有良好的电刺激依赖性。

图二. ET-TENG在细胞水平上的癌症治疗效果。

图三. ET-TENG干扰C6大鼠脑胶质瘤细胞的细胞骨架，造成细胞周期阻滞。

图四. ET-TENG的体内植入、生物降解和癌症治疗性能。

随后考察了ET-TENG体内、外抗肿瘤效果（图二、三、四）。结果证明，该器件对多种肿瘤细胞具有抑制杀伤作用。在超声波作用下，ET-TENG能够有效地干扰肿瘤细胞有丝分裂，最终导致细胞死亡。在裸鼠皮下C6脑胶质瘤模型的治疗中，植入的器件在单次超声波作用下获得了良好的抗肿瘤效果。

图五. 电场刺激与抗有丝分裂药物共同作用下C6细胞RNA转录组学分析

进一步对C6细胞RNA转录组学分析发现，在电场刺激和抗有丝分裂药物的共同作用下，有丝分裂相关基因被调控，相关信号通路发生改变。

总的来说，该器件可以被局部植入体内，对原位肿瘤、无法切除的肿瘤、以及手术后残余的肿瘤发挥作用。这项工作不仅提供了可降解的摩擦电器件用于治疗肿瘤的新方法，而且还为瞬时植入式医疗设备提供了一条新的途径。

近期，该研究成果以“Implantable, Biodegradable, and Wireless Triboelectric Devices for Cancer Therapy Through Disrupting Microtubule and Actins Dynamics”为题发表在学术期刊Advanced Materials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博士生姚顺成，通讯作者为李琳琳研究员和王中林院士。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202303962

李琳琳课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/lilinlin

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（责任编辑：xu）

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