基于肿瘤组织的特殊微环境，施剑林院士和步文博教授团队于2016年在国际上首次提出了肿瘤化学动力学疗法（Chemodynamic Therapy，CDT，Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 2101–2106），这是一类将材料学、芬顿化学和生命医学等多学科交叉融合的肿瘤特异性治疗新技术。当前，CDT的主要研究均致力于通过优化材料设计，提升催化剂在肿瘤微环境下的芬顿反应活性，实现高效CDT治疗。然而，由于肿瘤自身具备强大的抗氧化防御系统，导致短期内即使较大量的羟基自由基（•OH）产生，也会严重削弱氧化应激诱导的癌细胞杀伤效果。只有当•OH长时间持续保持在较高浓度范围内，才可能根本性地改变癌细胞命运并使其功能发生不可逆变化，进而实现对于肿瘤的高效杀伤。然而遗憾的是，当前大部分芬顿或类芬顿催化剂在肿瘤微环境条件下是短效的，随着催化剂表面≡Fe²⁺或≡Cu⁺的快速耗尽，很难长时间持续产生•OH，严重制约着CDT疗效。因此，如何设计高性能催化剂用于维持长时间的芬顿或类芬顿反应，依然是实现肿瘤长效化学动力学治疗的瓶颈问题。

近日，复旦大学材料科学系/聚合物分子工程国家重点实验室步文博教授、刘艳颜研究员和复旦大学附属华山医院神经外科毛颖教授的合作团队，创新性提出了通过构建异质结内建电场驱动电子定向迁移用于肿瘤长效化学动力学治疗的新策略（Long-lasting chemodynamic therapy, LCDT，图1），为解决上述瓶颈问题带来了新的突破（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202300356）。

图1. Fe@Fe₃O₄-Cu₂O异质结纳米颗粒介导的长效化学动力学治疗的示意图（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

该工作开发了一种表面局域非晶化诱导定点异质形核的合成新工艺，通过在Fe@Fe₃O₄种子颗粒表面构建局域非晶微区，利用晶化和非晶区与Cu之间晶格匹配度的显著差异，引导Cu原子在非晶微区选择性成核并外延生长，成功制备了一种单分散的新型Janus结构Fe@Fe₃O₄-Cu₂O异质结纳米颗粒（图2）。

图2. Fe@Fe₃O₄-Cu₂O异质结纳米颗粒的合成路线及表征（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

基于各组分材料之间的功函数差异，构建了由Cu₂O指向Fe核的内建电场，驱动零价Fe⁰中丰富的自由电子向材料表面定向迁移，进而将芬顿反应过程中失效的≡Cu²⁺持续还原为≡Cu⁺，确保了芬顿反应在较长时间内持续性发生和•OH的连续高效释放，直到Fe⁰耗尽（图3）。实验结果显示，该类特殊结构材料可以实现连续18小时的•OH催化转化，是Fe₃O₄-Cu₂O的约12倍和Cu₂O的约72倍。值得一提的是，体内外抗肿瘤实验结果均表明，与短暂的•OH刺激相比，持续性产生•OH不仅有效克服了癌细胞的抗氧化防御抵抗，造成胞内分子氧化损伤，还可持续激活ERK1/2通路，通过调节激活促凋亡因子Bax和caspase-3表达及活性，促使癌细胞高效凋亡（图4）。

图3. Fe@Fe₃O₄-Cu₂O异质结在水溶液中的长效芬顿反应实验及其机制探究（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

图4. LCDT肿瘤细胞治疗实验评价及机制示意图（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

研究首次从时间维度上揭示了持续性•OH在肿瘤治疗中发挥的不同生物学效应, 预示一个新的重要研究方向，从时间尺度上揭示高活性信号分子的生物学效应，有望为发现肿瘤治疗新机制带来启示。该研究结果表明，持续的刺激信号更有可能导致细胞命运和功能的不可逆变化，考虑到特定细胞功能的维持需要关键因子持续的表达和激活状态，这在包括代谢疾病和细胞再生等多种类型疾病治疗中均具有广泛的应用前景。该研究也预示纳米药物的开发不仅需要关注高效性，同时也应兼顾长效性；有望为更多需要持续性刺激的疾病治疗和生物功能调控应用研究带来新的思路和启发。

研究成果以VIP（Very Important Paper）论文发表于高水平学术期刊Angewandte Chemie International Edition (DOI: 10.1002/anie.202300356.)。复旦大学附属华山医院与复旦大学材料科学系联合培养博士后张会林、同济大学生命科学与技术学院助理教授陈杨及复旦大学附属华山医院花玮副教授为论文共同第一作者；复旦大学材料科学系/聚合物分子工程国家重点实验室步文博教授、刘艳颜研究员和复旦大学附属华山医院毛颖教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金重点项目、上海市教委创新重大基础项目和中国博士后创新人才支持计划等项目经费支持。

原文链接

https://doi.org/10.1002/anie.202300356

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