天津大学刘哲教授团队《ACS AMI》：近红外介导的热电催化用于持续生成ROS/RNS及可注射水凝胶的癌症治疗

生物电是生物体的基本属性之一，在胚胎发育和肿瘤进展过程中能够调节组织修复与新生血管生成。因此，基于干扰电微环境和独特的生物学效应，包括钙波动、肌动蛋白重组和活性氧（ROS）生成，外源性电刺激调节生物电平衡可能成为肿瘤治疗的新策略。热电催化分解水分子产生ROS被用于肿瘤治疗领域，并因其高特异性和精确时空选择性的内在优势而备受关注。ROS作为一种重要的细胞内稳态调节因子，在肿瘤发生、发展中起着重要作用，肿瘤微环境中大量产生ROS可攻击肿瘤细胞，使其成为癌症治疗的有用工具。另一方面，一氧化氮（NO）作为一种重要的内源性信使，负责下调耐药蛋白的表达以逆转多药耐药（如p-糖蛋白），并在癌症治疗中发挥凋亡和细胞毒性诱导剂的作用。光动力与光电动力治疗（PDT和PEDT）可与NO气体治疗相结合，热电动力产生的超氧离子（•O₂^-）可以与NO反应生成过氧亚硝酸盐阴离子（ONOO^-），与ROS相比，活性氮ONOO^-的产生通过硝化生物分子清除肿瘤细胞的能力更强。

天津大学刘哲教授团队构建了负载精氨酸（ARG），热释电BPR纳米粒子的可注射水凝胶纳米粒子复合物BPR-ARG@Gel（BAG），用于热电动力促进一氧化氮产生级联反应清除肿瘤。研究发现，在808 nm激光照射下，该材料能将光能转化为热能，产生显著的热电效应产生超氧自由基（•O₂^-）和羟基自由基（•OH）。体外细胞与活体小鼠治疗研究证明，在激光照射下显著抑制乳腺癌MCF-7细胞增殖并诱导细胞凋亡，该协同治疗显示出较高的肿瘤抑制率（高达89.9%），呈现良好的生物相容性和可靠的生物安全性。相关工作以“NIR-mediated Pyroelectric Catalysis for Sustained ROS/RNS Generation and Advanced Cancer Therapy In Vivo via Injectable Hydrogel”为题发表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces。

【文章要点】

本课题组通过钛酸钡改性，制备了热释电水凝胶纳米粒子复合物（BAG），由于激光引发温度变化，进一步促进带正电的空穴和带负电的电子分离，原位产生微电场。在非中心对称的钛酸钡晶体中，自发极化导致表面累积大量电荷催化水分子产生ROS。图1A-B表明纳米粒子（BPR）与精氨酸（ARG）被负载在水凝胶，构建BAG水凝胶纳米粒子复合体物的实物图，以及成胶前后的紫外吸收变化。水凝胶的稳定性和流变实验验证了BAG复合物在含血清的培养基下具有良好的稳定性和可注射性（图1C-F）。此外，在808激光照射下，BAG复合物表现出明显的温度升高的能力（超过46 ℃），在三次重复循环光照射的温度升高实验中，BAG复合物表现出良好的光稳定性（图1G-I）。在激光照射引发的温度变化中，温差导致电子-空穴分离，产生氧化还原反应，诱导产生羟基自由基 （•OH）和超氧阴离子（•O₂⁻）活性氧（ROS）(图 1J-K）。

图1.水凝胶纳米离子复合物（BAG）的构建及其热释电效应活性氧产生评价。

将BAG与MCF-7细胞共孵育，激光照射后，观察BAG对MCF-7细胞的杀伤作用和抗肿瘤效果。BAG在肿瘤细胞周围的持续释放BPR纳米粒子，促进肿瘤细胞的积累和内吞，光热和热电动力效应有助于肿瘤细胞的消除（图2A）。为此，将MCF-7细胞与BPR、Gel、NIR、BAG和BAG+NIR共孵育，通过CCK-8法检测不同BPR浓度下MCF-7细胞生存率。BPR浓度达到1.2 mg/mL时，未发现明显的细胞毒性（图2B）。然而，激光照射后BAG+NIR组只有20%的MCF-7细胞存活，提示显著的NIR诱导抑制肿瘤细胞的活性（图2C）。相比之下，BPR组、NIR组和BAG组几乎没有明显的细胞毒性。通过倒置荧光显微镜观察calcein-AM/PI对MCF-7细胞的染色评估肿瘤细胞的生存状态。在BAG+NIR组中，可以清楚地观察到红色的死亡细胞，表明NIR介导的肿瘤细胞死亡（图2D）。激光照射后，BAG+NIR组的ROS产生量最高，有显著的绿色荧光信号，代表细胞中有相当多的ROS存在（图2E）。如图2F所示，在没有激光照射时，活细胞保持高水平。激光照射后BAG+NIR的凋亡水平高达58.5%，定量分析显示，BAG+NIR组的肿瘤细胞凋亡比其他组强5倍（图2G）。

图2.水凝胶复合物BAG在激光照射后的MCF-7肿瘤细胞的毒性评价。

根据热释电机制，BAG水凝胶被认为是一个良好的药物池和热场，在激光照射时持续产生ROS/RNS，抑制热休克蛋白（HSP 70）的过表达（图3A）。治疗前，对含有不同浓度BPR（0.5、1.0、1.5、2.0 mg/mL）的BAG样本进行成像，以筛选荧光灵敏度最强的最佳注射剂量。随后将BAG注射到MCF-7荷瘤裸鼠瘤体内，荧光成像监测BAG的原位缓释和降解情况。实验表明，荧光强度在注射后24 h达到最大荧光强度，之后BAG水凝胶复合物在肿瘤区域的荧光强度逐渐减弱（图3B）。同时，肿瘤经激光照射后，BAG+NIR组温度显著升高，表明BAG具有较高的光热转换效果（图3C）。在15天的治疗周期中，记录裸鼠的体重和肿瘤大小，结果显示BAG+NIR组的肿瘤生长抑制作用最强，比BAG组和NIR组更明显（图3D-E）。在裸鼠体重方面，BAG+NIR组相较于控制组无明显不良反应。通过分析离体组织样本评估肿瘤生长抑制效率，如图3F和3G所示，BAG+NIR组的肿瘤增殖抑制显著（高达89.9%）。

为了深入研究抑瘤机制，我们对选定的生物标志物、免疫细胞及代表性细胞因子进行了分析。活性氧（ROS）的生成通常诱发肿瘤内部的氧化应激反应，进而导致核因子E2相关因子-2（Nrf2，即II相酶）的过表达，以及线粒体超氧化物生成或膜去极化功能的紊乱。作为经典的II相酶，血红素加氧酶-1（HO-1）的表达通过Western blot进行了检测。结果显示，与对照组、BAG组和NIR组相比，BAG+NIR组的HO-1表达上调最为显著，这突出了肿瘤内存在显著的氧化应激状态（图3H）。热休克蛋白（HSPs）被视作反映肿瘤增殖、肿瘤细胞坏死及自我防御状态的典型生物标志物，BAG+NIR组中HSP70的表达强度显著低于其他组（0.369 vs. 0.646, 0.954和1.0），验证了其耐热性的显著降低及肿瘤生长抑制的增强（图3H）。在光动力治疗（PDT）过程中，单线态氧（¹O₂）的生成常伴随显著的氧消耗及HIF-1α表达的上调。然而，BAG+NIR组中HIF-1α的表达仍维持在较低水平，这可能与H₂O热电催化生成羟基自由基（•OH）有关，即ROS的主要来源为H₂O而非O₂的消耗（图3H）。这一发现表明了BAG+NIR策略的优势，其克服了传统O₂依赖性ROS生成的限制，并通过肿瘤微环境中的水热电催化生成ROS，为癌症治疗提供了新的策略。此外，我们对血常规及淋巴细胞、单核细胞、中性粒细胞、白细胞等免疫细胞进行了检测。如图3I所示，BAG+NIR组中多数免疫细胞指标均处于较高水平，表明治疗后出现了免疫细胞的募集及免疫系统的激活，为BAG+NIR的肿瘤治疗提供了辅助支持。代表性细胞因子白细胞介素-6（IL-6）和干扰素-γ（IFN-γ）分析表明，BAG+NIR组的IFN-γ水平显著高于其他组，约为其他组的5倍，这进一步支持了通过免疫增强途径有效抑制肿瘤生长的机制（图3J）。

图3. 近红外激光照射下瘤内注射BAG水凝胶复合物的肿瘤治疗与免疫机制。

【结论与展望】

在本项研究中，我们制备了一种新型的可注射水凝胶BPR-ARG@Gel (BAG)，作为一种先进的癌症治疗模式用于体内ROS/RNS的持续生成和热电催化。这些热电生物材料利用了热引发电子-空穴分离产生开路电压，从而促进了H₂O的催化和大量ROS的产生。该模式克服了缺氧微环境的限制，实现了一种高效的活性氧生成途径。同时，产生的活性氧可以氧化ARG进一步产生NO来协同治疗肿瘤。我们对其抗肿瘤机制进行了探索，发现热释电产生的活性氧对肿瘤产生强大的氧化应激效应，这种氧化应激能够抑制热休克蛋白的表达，抑制肿瘤对热的耐受能力。此外这种氧化应激没有提升乏氧因子的表达，表明该热电催化产生的活性氧不会加剧肿瘤乏氧的微环境。这种治疗模式促进了免疫细胞的募集及免疫系统的激活，增强了白细胞介素-6（IL-6）和干扰素-γ（IFN-γ）的分泌，能够极大促进肿瘤的治疗效果，为肿瘤的治疗干预提供了温和、微创的有效途径。

【课题组简介】

天津大学刘哲教授：天津大学“北洋英才”长聘教授、博士生导师、英国皇家医学会会士（FRSM）、英国皇家化学会会士（FRSC）、英国皇家生物学会会士（FRSB），先后在美国斯坦福大学医学院分子影像研究中心（MIPS）、德国亚琛工业大学亥姆霍兹生物医学工程研究所从事博士后研究，聚焦智能疾病诊疗、可视化医学、影像导航手术等方向，开展基于智能医学材料的疾病干预与治疗新方法、新策略研究，主编中、英、德文学术专著6部（Springer Nature、Elsevier、化学工业出版社），参编中国肿瘤整合诊治技术等临床医学指南三项，兼任Intelligence-Based Medicine（Elsevier）、VIEW（Wiley）、Cancer Letters等国际学术期刊编委。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.4c05836