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中科院纳米能源所李琳琳团队《Adv. Funct. Mater.》:自驱动电调节铜单原子纳米酶d带电子促进癌症治疗
2023-07-25  来源:高分子科技

  近年来,设计纳米酶在肿瘤局部催化产生有毒活性氧物质ROS成为提高癌症治疗的一种有效策略。与天然蛋白酶相比,纳米酶具有稳定性高、易于制造和成本低等优势。如何开发在肿瘤微环境(TME)下具有高催化活性和选择性的纳米酶是目前的一大挑战。尽管最近开发的单原子纳米酶(SAzymes)被认为能够最大限度地提高原子利用效率,但其内在催化活性远未达到预期。因此,不断探索提升SAzymes催化生成毒性ROS效率的方法显得刻不容缓以提高癌症的治疗效果。


  中科院北京纳米能源与系统研究所李琳琳团队前期工作发现,自驱动电场能够模拟天然蛋白酶的electrostatic preorganization effect,改变纳米酶的电荷分布并提高其催化活性(Adv. Mater. 2022, 2109568Adv. Funct. Mater. 2022, 2209142; ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 6, 7855)。在此基础上,团队进一步设计了基于可穿戴摩擦纳米发电机(TENG)和单原子铜纳米酶(Cu-NC)的自驱动电刺激增强催化系统用于改善癌症治疗。研究发现,Cu-NC具有过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等多种类酶活性。自驱动电场能够促进H2O2在单原子Cu活性位点上的吸附,使Cu费米能级附近的dxy轨道提高Cud带中心发生位移,从而使多种类酶活性大幅提高,形成级联反应,放大癌细胞的氧化损伤和死亡。这种高效的自驱动电场增强纳米催化系统为肿瘤催化治疗提供了可行的策略,为优化SAyzmes开辟了新的思路 


Cu-NC在摩擦纳米发电机提供的自驱动电刺激下用于癌症治疗的示意图 


图一Cu-NC的合成及表征


  通过球差电镜表征单原子Cu均匀的分布在氮掺杂碳载体上。同步辐射的X射线吸收近边结构(XANES)光谱和扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)光谱结果表明,Cu原子的价态在+1+2之间并且Cu-NC只有一个与Cu-N键相关的主峰,没有发现与Cu-Cu键相关的峰,证实了Cu的原子分散。拟合结果显示每个Cu原子与3.9 ± 0.6N原子配位,Cu-N键长为1.96 ± 0.05 ?,表明Cu原子在Cu-NC中主要以CuN4形式存在。 


图二. 自供电电刺激下TENG的性能和Cu-NC的催化活性 


图三DFT计算验证电刺激促进了Cu-NCPOD样活性


  他们制作了一种接触分离模式的TENG,整个器件灵活、重量轻、尺寸小,可以轻松佩戴在人的手腕上,方便操作。他们利用TENG稳定可控地提供电刺激,并研究其对Cu-NC催化活性的影响。结果发现,Cu-NC具有四种类酶活性,分别是类PODCATOXDGSHOx活性。自驱动电刺激下,四种酶活均得到显著提高。催化反应动力学结果发现,有利于活性中心与底物的结合,提高催化反应速率。密度泛函理论计算发现当施加电场时,H2O2Cu-NC上的吸附能降低0.28 eV说明H2O2Cu活性中心的结合更易发生,这与动力学测试的结果高度一致。同时在电刺激下,活性中心费米能级附近的DOS显着增加,并出现了新的混合电子态,表明活性位点与底物之间的相互作用更强,加速了催化过程中的电荷转移。而且,电刺激后Cud带中心向靠近费米能级移动,表明H2O2更容易吸附在Cu这些结果符合前沿电子轨道理论,表明电刺激有利于增强Cu-NC的催化活性。 


图四. TENG提供的电刺激下Cu-NC在细胞水平上的癌症催化治疗 


图五TENG提供的电刺激下使用Cu-NC对小鼠进行体内癌症治疗


  Cu-NC在体内外具有良好的生物相容性。通过TENG电刺激进行4T1乳腺癌治疗时,  电刺激作用下Cu-NC实现了最佳的肿瘤治疗效果(图四、五)。


  总之,该工作采用自驱动电提高了铜单原子纳米酶(Cu-NC的活性用于癌症治疗。电刺激显着提高了Cu-NC的类PODCATOXDGSHOx酶活性,并形成级联反应,放大癌细胞的氧化损伤和死亡。与传统电源相比,灵活可穿戴的TENG为智能医疗提供了更加生物安全、便捷的电刺激方式。这项工作为自供电刺激进行肿瘤催化治疗提供了可行的策略。


  近期,该研究成果以“Self-driven electricity modulates d-band electrons of copper single-atom nanozyme for boosting cancer therapy”为题发表在学术期刊Adv. Funct. Mater.上。文章的第一作者是中国科学院北京纳米能源与系统研究所的博士生钟颂婧,通讯作者为李琳琳研究员


  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305625


  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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