癌症是对人类健康的严重威胁。近几十年的研究结果证实了活性氧
(ROS)
在抗肿瘤中的关键作用。
ROS
的过量产生会破坏蛋白质和脂质，导致肿瘤细胞凋亡。与传统抗肿瘤治疗可能引起肿瘤抵抗相比，基于
ROS
的治疗通过氧化应激对抗肿瘤，显示出很大的优势。因此许多研究都集中在针对肿瘤产生
ROS
的功能系统。
来自南京大学医学院附属鼓楼医院的孙凌云教授研究团队受生物体内多酶生物催化的启发，提出了基于钛酸钡（
BTO
）和铂（
Pt
）共负载多组分微粒子（
Pt/BTO@MCMPs
）的新型超声触发时空催化级联系统（图
1
），实现肿瘤声动力治疗的氧气和活性氧产生。通过使用定制的毛细管微流体装置，
Pt/BTO@MCMP
是由位于其核心部分的
Pt
纳米颗粒和位于其外围部分的
BTO
纳米立方体制成的，与空白多孔水凝胶组件交替，以增加封装的纳米材料与环境之间的相互作用面积。在微粒中，
Pt
可以催化肿瘤微环境中的过氧化氢产生
O
2
和
H
2
O
作为压电催化反应的底物，有助于在超声（
US
）激活下额外产生
ROS
。
为了制备多组分的微颗粒，研究人员采用自制的七管毛细管建立微流控芯片
(
图
2A)
。将组装好的毛细管在酒精灯的火焰下拉伸，使孔口内径减到
200µm
后，将七管毛细管附着在玻璃载玻片上，建立七通道平行微流控芯片
(
图
2B)
。用红色、蓝色和绿色荧光染料溶解的海藻酸钠
(Alg)
预凝胶溶液被泵入七个独立的微通道中。在高压直流电提供的电场力的帮助下，在孔口处形成的液滴克服了表面张力，迅速滴入氯化钙
(CaCl2)
溶液收集液中
(
图
2C)
。收集浴中的钙离子可以迅速渗透到藻滴中，取代钠离子，形成固体藻酸钙微粒。如图
2D
所示的荧光图像所示，生成的微粒每个都显示一个绿色的核和一个红色和蓝色交替成分的壳。通过调节电压，可以得到不同直径的微粒
(
图
2E-G)
。
基于七筒微流控芯片优异的可操作性，研究人员将
MCMP
应用于封装纳米材料。为了获得具有多孔结构的水凝胶组分，我们在聚乙二醇预凝胶溶液
(PEG/Alg)
中加入致孔剂聚乙二醇
(PEG)
。将亲水性
BTO
纳米立方均匀分布到
Alg
预凝胶溶液
(BTO/Alg)
中后，首先通过将
BTO/Alg
和
PEG/Alg
泵入六个外围通道中来制备六组分微颗粒
(BTO@MCMP)(
图
3A)
。结果正如所期望的，微粒可以被固化，并且可以在每个不同的组分之间观察到清晰的边界
(
图
3B)
。从扫描电镜
(SEM)
图像可以看出，
BTO
纳米立方包埋在水凝胶中，
PEG/Alg
组分呈现多孔结构，有利于物质交换
(
图
3C)
，在
BTO@MP
和
BTO@MCMP
组中，相同数量的
BTO@MP
和
BTO@MCMP
接受不同持续时间的
US
作用。结果表明，经过
5 min
的
US
作用，在
BTO@MP
存在的情况下，
MB
降解率约为
36.29%
，在
BTO@MCMP
存在的情况下，
MB
降解率约为
42.69%(
图
3D-F)
。
BTO@MCMP
表现出更强的压催化性能，这可能是由于
BTO@MCMP
的
BTO
与液体环境的接触面更大。
除了将
BTO/Alg
和
Alg
交替泵入六个外围通道外，含有
Pt (Pt/Alg)
的
Alg
预凝胶溶液被泵入中间微通道，产生七组分压电微粒
(Pt/ BTO@MCMP)(
图
4A,B)
。
H
2
O
2
组和
H
2
O
2
+ Alg
组的
O
2
浓度上升缓慢且缓慢，说明
H
2
O
2
在常温常压下释放
O
2
缓慢，
Alg
水凝胶不会影响
O
2
的释放速率
(
图
4C)
。为了模拟体内缺氧环境，研究人员对
Capan-1
细胞进行了缺氧培养。如图
4D
所示，
US
和
MCMP
与
Capan-1
细胞单独孵育时，对
Capan-1
细胞无细胞毒性。然而，当细胞与
US
作用的
Pt/BTO@MCMP
共孵育时，细胞活力迅速下降，这表明
US
触发的压电催化
ROS
生成可以有效降低肿瘤细胞的活力
(
图
4E)
。
治疗两周后，切除肿瘤并评估抗肿瘤效果
(
图
5A)
。通过测量不同组肿瘤的重量发现
MCMPs + US
组肿瘤生长明显受到抑制
(
图
5B)
。然而，
MCMPs
组肿瘤的重量和体积与对照组相似。与对照组和
MCMPs
组相比，
MCMPs + US
组肿瘤样品的
H&E
染色显示肿瘤细胞排列混乱，表明细胞增殖和生长受到抑制
(
图
5C)
。此外，我们分析了不同组肿瘤样本中缺氧诱导因子
(HIF) - 1
α的表达，以评估
Pt/BTO@MCMP
的缺氧逆转能力
(
图
5D)
。
Western Blotting
定量统计结果显示，
MCMPs
组
HIF-1
α表达显著低于对照组，说明
Pt/BTO@MCMP
能够产生
O
2
，有效逆转低氧环境。此外，虽然
US
介导的压催化反应消耗大量
O
2
产生
ROS
，但
MCMPs + US
组
HIF-1
α强度仍显著低于对照组，既同时抑制肿瘤和缓解缺氧肿瘤微环境
(
图
5E)
。
为了进一步说明
US
触发
Pt/BTO@MCMP
的治疗能力，我们对各组肿瘤组织进行了
Ki67
、
Collagen1
和
tdt
介导的
dUTP
镍端标记
(TUNEL)
染色
(
图
6A)
。可以观察到，
MCMPs + US
组的
ki67
阳性肿瘤细胞明显少于对照组和
MCMPs
组，表明对细胞增殖有较强的抑制作用，通过对图像的统计分析进一步证实了这一点
(
图
6B)
。一般来说，在胰腺肿瘤中，胰腺星状细胞产生的胶原蛋白与肿瘤细胞的增殖、迁移和耐化学性有着密切的联系。研究证实，肿瘤中基质含量越多的胰腺癌患者生存率越高，
I
型胶原的缺失可加速胰腺癌的进展。
MCMPs + US
组的肿瘤样品显示出大量胶原纤维的存在，表明
US
触发的
Pt/BTO@MCMP
具有突出的肿瘤抑制作用。通过对各组
TUNEL
染色代表图像的肿瘤细胞整体
(
蓝色荧光细胞
)
和肿瘤细胞凋亡
(
绿色荧光细胞
)
的测量，发现
Pt/BTO@MCMP
和
US
处理后大部分胰腺肿瘤细胞被杀死
(
图
6C)
。
综上所述，该工作为了进一步开发压电纳米材料的
US
反应性肿瘤杀伤性能，并将其与纳米酶的催化产氧功能相结合，提出了一种多组分纳米材料载体
Pt/BTO@MCMP
。该支架具有优异的压电性和催化能力，不仅在
US
作用下显著抑制肿瘤，逆转缺氧环境，进一步促进抗肿瘤，其产生
O2
和
ROS
的特性，还可以探索更多的应用潜力。
该研究由南京大学医学院附属鼓楼医院孙凌云教授研究团队联合赵远锦教授和王景林教授完成，并于
2024
年
3
月在线发表于
Aggregate
。
论文信息：
Qian Fang, Dong Wang, Wei Lin, Zilu Ge, Xiangtian
Deng, Renliang Zhao, Yunfeng Tang, Wenzheng Liu, Zhencheng Xiong, Ao Duan, Zhen
Zhang, Yong Xiang*, Xiaoran Hu*, Guanglin Wang*
.
Highly Stretchable Piezoelectric Elastomer for
Accelerated Repairing of Skeletal Muscles Loss. Adv. Funct. Mater. 2024,
2313055.
供稿：刘怿斯
审校：梁婷
编辑：石家旭
