邬建敏教授课题组：微针贴片递送多孔硅限域纳米酶高效治疗黑色素瘤

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全球每年新增的皮肤癌患者超过一百万，并且发病率在过去几十年中不断上升。其中有4%的患者罹患皮肤黑色素瘤(CM)，但死亡率却高达80%。CM与其他恶性肿瘤的不同之处在于其主要发生在皮肤的表皮和真皮层，而非深层组织。CM死亡率高的一个重要原因是缺乏可靠有效的治疗方法。手术切除病灶和邻近皮肤组织是目前CM的主要治疗方法，但手术切除的恢复期较长，且伤口部位易感染。免疫疗法是一种新兴的治疗方式，但治疗过程的复杂性和重编码细胞的长期存活性仍有待改善。黑色素瘤特殊的低 DNA 损伤和多重 DNA 修复特性导致其对放射疗法具有抵抗性。现有治疗手段的缺陷导致CM的预后并不理想。因此，开发高效的黑色素瘤治疗方法对提高患者存活率至关重要。
        纳米酶是一种具有特殊物理化学性质和类酶催化活性的人工酶，可针对肿瘤微环境（TME）特征靶向改变其生化平衡，实现肿瘤的高效治疗。然而，TEM的代谢特征及机制极其复杂，调控单一的代谢平衡并不能起到很好的治疗效果，因此构建针对多重TME代谢特征的复合纳米酶体系极其重要。此外，构建高效的纳米酶递送系并实现对外源信号刺激下的活性调控，可进一步改善纳米酶在CM等肿瘤治疗中的效果。近日，浙江大学化学系邬建敏课题组利用电化学刻蚀获得的多孔硅作为一种新型的纳米酶载体，制备了双纳米酶负载的多孔硅纳米催化复合体系(CuGQD/PdNPs@PSi)。多孔硅具有良好的生物可降解性和生物相容性，本项工作利用PSi独特的孔道限域效应赋予双纳米酶协同的类过氧化物酶(POD)和谷胱甘肽氧化酶(GSHOx)活性。同时，近红外光诱导的光热效应可进一步提高纳米酶复合物的类酶活性，最终有效地触发肿瘤细胞的铁死亡。将CuGQD/PdNPs@PSi整合到微针(MNs)中可使纳米酶复合物穿透表皮屏障，形成可逆的微通道进入CM病灶部位，实现高效的纳米催化诱导铁死亡，进而高效治疗黑色素瘤。相关研究成果以“Microneedle Patch Integrated with Porous Silicon Confined Dual Nanozymes for Synergistic and Hyperthermia-Enhanced Nanocatalytic Ferroptosis Treatment of Melanoma”为题发表在国际著名期刊Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202308183)。

         课题组研究人员设计了一种负载双纳米酶的多孔硅(PSi)集成的微针(MNs)贴片，通过MNs将纳米酶复合物准确递送到肿瘤部位，实现对肿瘤微环境(TME)的双向调节，触发铁死亡反应以治疗黑色素瘤。得益于PSi的孔道限域效应，铜掺杂石墨烯量子点和钯纳米颗粒共负载的PSi (CuGQD/PdNPs@PSi)显示出协同催化效应，表现为增强的类过氧化物酶(POD)和谷胱甘肽氧化酶(GSHOx)活性。CuGQD/PdNPs@PSi比单限域纳米酶或非限域纳米酶体系的活性高出约2-3倍。此外，CuGQD/PdNPs@PSi的协同催化性能可通过近红外光(NIR)照射诱导的光热效应得到改善。进一步地，CuGQD/PdNPs@PSi可诱导铁死亡反应，表现为脂质过氧化物(LPO)上调和谷胱甘肽过氧化物酶 4(GPx-4)失活。研究人员进一步将纳米复合物装入MNs，给药后对黑色素瘤生长抑制率(TGI)在14天内达到了令人满意的98.8%。因此，封装CuGQD/PdNPs@PSi的MNs可以为肿瘤治疗提供一种潜在的纳米催化诱导铁死亡策略，同时也能满足根除浅表肿瘤的医疗需求。
      利用PSi孔道表面的Si-H键将Pd(II)盐原位还原得到PdNPs@PSi，这种通过表面原位还原负载的PdNPs具有极高的分散性及稳定性。之后，利用静电相互作用将一步水热法制备得到的CuGQD与PdNPs@PSi结合，得到复合纳米催化体系CuGQD/PdNPs@PSi。所制备的CuGQD/PdNPs@PSi光热转换效率为57.8%，明显优于已报道的其他钯基光热剂(图1)，且具有良好的光热响应可逆性。
       研究发现双纳米酶限域复合物的类POD和类GSHOx催化效率均明显优于单限域纳米酶或非限域纳米酶体系。CuGQD/PdNPs@PSi的类POD催化效率远高于CuGQD@PSi和PdNPs@PSi，证明在PSi中共负载双纳米酶可提高底物的传质及吸附能力，加快催化反应速率。类GSHOx研究表明，虽然PdNPs@PSi不具备类GSHOx性质，但 CuGQD/PdNPs@PSi的催化效率是CuGQD@PSi的3，可能与限域条件下双纳米酶体系的快速电子传递有关。上述稳态动力学结果首次证明了 PSi 纳米孔道的限域特性可赋予双纳米酶协同的类POD和类GSHOx活性。研究人员还证明了NIR照射导致的热效应可提升CuGQD/PdNPs@PSi的类POD和类GSHOx催化性能。体外实验结果证明，与CuGQD@PSi和PdNPs@PSi相比，CuGQD/PdNPs@PSi在细胞层面具有更出色的类POD和GSHOx性能，可以诱导有效的细胞内铁死亡。通过NIR刺激诱导的高温可进一步促进铁死亡进程。
        研究人员将CuGQD/PdNPs@PSi进一步集成到聚合物基质中，通过分步浇铸法制备了一种专门用于黑色素瘤治疗的可溶解微针贴片。所制备的CuGQD/PdNPs@PSi MNs具备足够的机械性能穿透角质层，可在60 s内快速溶解并释放纳米酶复合物。此外，CuGQD/PdNPs@PSi MNs保持了良好的光热性能。
         在体内实验中，施加NIR照射的CuGQD/PdNPs@PSi MNs组表现出理想的黑色素瘤治疗性能。免疫荧光分析证明CuGQD/PdNPs@PSi MNs + NIR 组可以最有效地杀伤黑色素瘤细胞并抑制其增殖。并且CuGQD/PdNPs@PSi MNs + NIR 组GPx-4水平下调最明显，证明制备的微针系统通过GPx-4表达水平的降低诱导了铁死亡的发生，从而产生了良好的抗黑色素瘤效果。
         近年来，邬建敏教授课题组在PSi诊疗一体化生物材料方面开展了系列工作，提出了氧化刺激诱导的FRET调控机理，实现了基于PSi体系的比率荧光传感(ACS Nano, 2017, 11, 8, 7938-7949); 提出基于PSi比率荧光及酶催化体系的汗液葡糖糖检测方法，通过手机拍照即可实现糖尿病人的血糖管理(ACS Sens., 2020, 5, 7, 2096-2105); 发现了PSi载药体系与金属纳米颗粒的协同抗菌作用(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 14, 16127-16141)；发现了PSi载体降解产物硅酸盐离子自身的促内皮细胞生长、迁移及促血管生成的的机制(Biomaterials, 2021,  272, 120772)；构建了具有光热响应特性的高分子—PSi复合载药体系(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 43, 48368-48383)；发现了光热分子在限域条件下的光热增强现象及机制，并开发了一种光热生物传感器及诊疗体系(J. Controlled Release, 2023, 359, 428-440)。本项工作中课题组首次提出了PSi孔道限域下的多纳米酶协同催化体系，实现了对复杂TME多重代谢特征的调控，进而利用纳米催化体系的光热特性实现高效的刺激响应肿瘤治疗。此外，将多纳米酶负载的PSi复合催化体系与微针给药方式结合也是本项工作的创新点之一。这种集成纳米酶复合体系的微针贴片治疗技术具有广泛的可拓展性，有望在多种临床场景中得到普遍应用。
       浙江大学化学系博士生赵靖雯为论文第一作者，浙江理工大学化学与化工学院奚凤娜教授为共同通讯作者，浙江大学化学系邬建敏教授为主要通讯作者。本课题的研究工作受到国家自然科学基金的资助。
        原文链接：DOI: 10.1002/adfm.202308183
        文章来源：浙江大学
        邬建敏，男，浙江大学化学系教授。分析化学硕士（原杭州大学），环境科学博士（浙江大学），美国University of California, San Diego(UCSD) 访问学者。研究领域有生物分离材料：多孔高分子聚合物，多孔硅基材料，分子印迹材料，纳微色谱材料，光学传感器：光学气体传感器，光学生物传感器，光学非标记生物分析芯片，纳米生物分析：有序多孔硅，纳微粒子的生物分析应用。