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中科院納米能源所李琳琳團隊《Adv. Funct. Mater.》:自驅動電調節銅單原子納米酶d帶電子促進癌癥治療
2023-07-25  來源:高分子科技

  近年來,設計納米酶在腫瘤局部催化產生有毒活性氧物質ROS成為提高癌癥治療的一種有效策略。與天然蛋白酶相比,納米酶具有穩定性高、易于制造和成本低等優勢。如何開發在腫瘤微環境(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。盡管最近開發的單原子納米酶(SAzymes)被認為能夠最大限度地提高原子利用效率,但其內在催化活性遠未達到預期。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研究所李琳琳團隊前期工作發現,自驅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, 2109568Adv. Funct. Mater. 2022, 2209142; ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 6, 7855)。在此基礎上,團隊進一步設計了基于可穿戴摩擦納米發電機(TENG)和單原子銅納米酶(Cu-NC)的自驅動電刺激增強催化系統用于改善癌癥治療。研究發現,Cu-NC具有過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)等多種類酶活性。自驅動電場能夠促進H2O2在單原子Cu活性位點上的吸附,使Cu費米能級附近的dxy軌道提高Cud帶中心發生位移,從而使多種類酶活性大幅提高,形成級聯反應,放大癌細胞的氧化損傷和死亡。這種高效的自驅動電場增強納米催化系統為腫瘤催化治療提供了可行的策略,為優化SAyzmes開辟了新的思路 


Cu-NC在摩擦納米發電機提供的自驅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射線吸收近邊結構(XANES)光譜和擴展X射線吸收精細結構(EXAFS)光譜結果表明,Cu原子的價態在+1+2之間并且Cu-NC只有一個與Cu-N鍵相關的主峰,沒有發現與Cu-Cu鍵相關的峰,證實了Cu的原子分散。擬合結果顯示每個Cu原子與3.9 ± 0.6N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了Cu-NCPOD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穩定可控地提供電刺激,并研究其對Cu-NC催化活性的影響。結果發現,Cu-NC具有四種類酶活性,分別是類PODCATOXDGSHOx活性。自驅動電刺激下,四種酶活均得到顯著提高。催化反應動力學結果發現,有利于活性中心與底物的結合,提高催化反應速率。密度泛函理論計算發現當施加電場時,H2O2Cu-NC上的吸附能降低0.28 eV說明H2O2Cu活性中心的結合更易發生,這與動力學測試的結果高度一致。同時在電刺激下,活性中心費米能級附近的DOS顯著增加,并出現了新的混合電子態,表明活性位點與底物之間的相互作用更強,加速了催化過程中的電荷轉移。而且,電刺激后Cud帶中心向靠近費米能級移動,表明H2O2更容易吸附在Cu這些結果符合前沿電子軌道理論,表明電刺激有利于增強Cu-NC的催化活性。 


圖四. TENG提供的電刺激下Cu-NC在細胞水平上的癌癥催化治療 


圖五TENG提供的電刺激下使用Cu-NC對小鼠進行體內癌癥治療


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


  總之,該工作采用自驅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PODCATOXDGSHOx酶活性,并形成級聯反應,放大癌細胞的氧化損傷和死亡。與傳統電源相比,靈活可穿戴的TENG為智能醫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”為題發表在學術期刊Adv. Funct. Mater.上。文章的第一作者是中國科學院北京納米能源與系統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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(責任編輯:xu)
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