Advanced Functional Materials:触手可及——花状单原子催化ROS发生器与肿瘤治疗

细胞中的活性氧(ROS)在调节和诱导细胞活性中起着至关重要的作用。研究表明,调节细胞ROS水平可以降低肿瘤细胞的抗性。目前,具有类似天然酶结构和作用的纳米酶在肿瘤微环境中特异性激活催化来调节胞内的ROS水平方面潜力巨大。基于金属有机框架纳米酶的开发是该领域最重要的突破之一。由于优越的电子/几何结构和独特的量子尺寸效应,金属卟啉MOF材料具有类过氧化物酶(POD)活性的独特优势。然而,孔径尺寸的限制、额外的炭化保护策略和较低的金属负载(<4 wt%),使得材料的催化活性受到极大的限制。

从催化应用的角度来看,基于单原子催化位点的纳米酶材料(SAC)在催化位点的三维可及性方面存在巨大挑战。不同于气相环境,在高粘度、高生物物质浓度的生理体系中,SAC催化位点的三维可接近性,以及颗粒内部底物、短寿命自由基产物、氧化损伤靶分子的传质受到严重限制。二维形貌的催化材料具有较高表面原子利用率,可以提高材料的催化活性。然而,二维材料在溶液中的再堆积问题限制了其在催化科学领域的发展。利用聚多巴胺独特的粘合能力和丰富的功能基团在MOF形成的配位聚合过程中,利用协同聚合的高分子功能基团的干扰作用进行协调和干预,制备二维结构三维化交联的纳米材料,可以大大提高纳米酶活性位点的可及性、质量传输和催化性能。

重庆大学生物工程学院张吉喜教授课题组开发了一种新的“聚合物诱导框架材料形貌破缺”策略,来制备具有高密度及高可及性单原子催化位点的花状纳米酶,用于高效肿瘤ROS治疗。低咪唑/锌离子摩尔比(0.8)条件下原位生长的沸石-咪唑骨架具有类多酚氧化酶活性,能够原位聚合多巴胺形成PDA/ZIF-L二维纳米结构,经过三维化交联最终产生花状纳米材料(~260 nm)。PDA保护炭化策略促进纳米花瓣(7 nm厚度)中微孔的重新开放和大量缺陷介孔(~4 nm)的形成。除此之外,高温炭化后的纳米花(C-NFs)具有高暴露Zn-N4位点、大瓣间孔空间(~39 nm)、高比表面积(388 m2 g-1)和超高金属原子负载量(27.3 wt%)。这种花状纳米酶表现出优越的类POD活性,与传统的ZIF-8衍生的单原子纳米酶材料相比,其转换频率TOF(0.293 s-1)增加36.6倍。去铁铁蛋白在丰富的孔空间内修饰可以提高材料的水相分散性和化疗药物(DOX)的负载。该平台大大提高了纳米酶结构内催化位点的数量/可及性、底物扩散和反应动力学,可以在肿瘤微环境中选择性的生成高水平ROS,诱导GSH消耗、线粒体膜电势下降、Caspase-3蛋白酶上调等系统性氧化应激上升,进而导致耐药性肿瘤细胞(MCF-7/ADR)抗性下降和药物治疗再敏化,最终实现耐药性肿瘤的高效杀伤。

上述研究工作得到了国家自然科学基金的支持,完成论文的第一作者为重庆大学生物工程学院博士研究生邢玉鑫。

论文信息:

Flower-Like Nanozymes with Large Accessibility of Single Atom Catalysis Sites for ROS Generation Boosted Tumor Therapy

Yuxin Xing, Lu Wang, Liucan Wang, Jixi Huang, Shuai Wang, Xiyue Xie, Jing Zhu, Tao Ding, Kaiyong Cai, Jixi Zhang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202111171

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202111171