Photocatalysis-mediated drug-free sustainable cancer therapy using nanocatalyst  

基于納米催化劑的光催化介導(dǎo)無藥可持續(xù)癌癥治療  

來源：Nature Communications, Volume 12, Article number: 1345 (2021)

《自然·通訊》第12卷，文章編號(hào)1345（2021年）  

 

摘要內(nèi)容

 

研究提出"無藥治療"新策略，開發(fā)Z型SnS?.??-WO?.??納米催化劑，在808 nm近紅外光（NIR）激發(fā)下同步產(chǎn)生氧化性空穴和氫氣分子。該催化劑無需藥物輔助，通過空穴持續(xù)消耗腫瘤內(nèi)過表達(dá)的谷胱甘肽（GSH），同時(shí)催化生成氫氣分子。氫氣分子抑制癌細(xì)胞能量代謝，GSH消耗破壞腫瘤氧化還原平衡，二者協(xié)同誘導(dǎo)DNA損傷和細(xì)胞凋亡。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)證實(shí)該療法高效安全，腫瘤完全消退率達(dá)20%（圖5b），且無系統(tǒng)毒性。  

 

研究目的

 

解決傳統(tǒng)化療藥物毒性大、載藥量有限的問題，通過光催化納米催化劑實(shí)現(xiàn)無藥物消耗、可持續(xù)的癌癥治療，突破現(xiàn)有催化療法需外源犧牲劑或載藥的局限。  

 

研究思路

 

1. 催化劑設(shè)計(jì)：  

   ? 構(gòu)建Z型異質(zhì)結(jié)：WO?.??納米點(diǎn)（強(qiáng)氧化性）負(fù)載于SnS?.??納米片（窄帶隙1.49 eV）表面，形成等離子體共振增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（圖2）。  

 

   ? 近紅外響應(yīng)機(jī)制：WO?.??局域表面等離子體共振（LSPR）產(chǎn)生熱電子注入SnS?.??，實(shí)現(xiàn)高效電荷分離（圖3c-d）。  

 

     

2. 治療機(jī)制：  

   ? 空穴療法：光生空穴氧化GSH→GSSG，破壞腫瘤抗氧化防御系統(tǒng)（ADS），升高活性氧（ROS）水平（圖4c）。  

 

   ? 氫療法：光生電子還原H?→H?，抑制線粒體能量代謝，降低ATP水平（圖4d）。  

 

3. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：  

   ? 體外：檢測(cè)細(xì)胞攝取（圖4a）、細(xì)胞毒性（圖4b）、ROS/ATP水平（圖4c-d）、DNA/線粒體損傷（圖4e-f）。  

 

   ? 體內(nèi)：評(píng)估腫瘤靶向、抑瘤效果（圖5a-c）、腫瘤微環(huán)境（TME）重塑（圖6）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. 光催化性能（圖3e-f）：  

   ? 數(shù)據(jù)：0.5 W/cm2 NIR照射下，H?生成速率達(dá)0.8 μmol/h，GSH消耗率>80%（30分鐘內(nèi)）。  

 

   ? 意義：證實(shí)催化劑可持續(xù)利用內(nèi)源性GSH為犧牲劑，實(shí)現(xiàn)長效治療。  

 

2. 細(xì)胞能量與氧化應(yīng)激（圖4c-d）：  

   ? 數(shù)據(jù)：NIR照射后，細(xì)胞內(nèi)ROS↑200%，ATP↓70%（HeLa細(xì)胞）。  

 

   ? 意義：揭示空穴/氫協(xié)同破壞能量-氧化還原雙穩(wěn)態(tài)的機(jī)制。  

 

3. 體內(nèi)抑瘤效果（圖5a-c）：  

   ? 數(shù)據(jù)：4T1腫瘤抑瘤率89%（22天），完全消退率20%；腫瘤內(nèi)H?濃度↑15倍，GSH↓90%。  

 

   ? 意義：驗(yàn)證無藥療法的高效性，且無體重下降或器官損傷。  

 

4. 腫瘤微環(huán)境重塑（圖6）：  

   ? 數(shù)據(jù)：Ki67?增殖細(xì)胞↓95%，Caspase-3?凋亡細(xì)胞↑8倍，CD31?血管↓80%。  

 

   ? 意義：證實(shí)療法可全面破壞TME，克服腫瘤免疫抑制。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

使用Unisense氫微電極（方法部分）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體內(nèi)外H?生成（圖3e），其核心價(jià)值在于：  

1. 高時(shí)空精度：  

   ? 通過分子量截留膜（3000 Da）隔離催化劑與電極，避免光電子干擾，實(shí)現(xiàn)活體腫瘤內(nèi)H?的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（方法部分）。  

 

2. 治療可控性驗(yàn)證：  

   ? 數(shù)據(jù)顯示H?濃度與NIR功率呈正相關(guān)（0.2→0.5 W/cm2時(shí)H?生成速率↑300%），且開關(guān)激光可精準(zhǔn)控制H?釋放（圖3e），為"按需治療"提供依據(jù)。  

 

3. 機(jī)制關(guān)聯(lián)性：  

   ? 體內(nèi)H?濃度峰值（注射后4小時(shí)）與腫瘤蓄積峰值同步，證實(shí)納米催化劑被動(dòng)靶向有效性，為臨床給藥窗口設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。  

 

結(jié)論

 

1. 治療機(jī)制：空穴/氫協(xié)同破壞能量代謝（ATP↓）和氧化還原平衡（ROS↑），誘導(dǎo)DNA損傷與細(xì)胞凋亡。  

2. 性能優(yōu)勢(shì)：  

   ? 高效性：腫瘤完全消退率20%，且抑制轉(zhuǎn)移。  

 

   ? 安全性：無系統(tǒng)毒性。  

 

3. 臨床潛力：催化劑尺寸（150 nm）利于被動(dòng)靶向，可局部注射或微針貼片給藥，避免重金屬長期毒性風(fēng)險(xiǎn)。