微环境响应型压电纳米反应器集成氧气（O2）和氢气（H2）的生成技术，用于高效的肿瘤声动力疗法

《Acta Biomaterialia》：Microenvironment-responsive piezoelectric nanoreactors integrate O2 and H2 generation for efficient tumor sonodynamic therapy

　　

宋鹏远|陈晓辉|刘宇辰|傅康|张阳|王景文|张龙|沈杰|杨树辉|孔向东|王世波|朱金金

浙江科技大学材料科学与工程学院智能生物医学材料研究所，杭州310018，中国

摘要

声动力疗法（SDT）由于其非侵入性、无毒性和高穿透性，已成为肿瘤治疗的研究热点，它通过激活声敏剂在超声照射下产生活性氧（ROS）来消融肿瘤细胞。然而，其治疗效果受到声敏剂快速电子-空穴复合、肿瘤缺氧以及肿瘤微环境中高谷胱甘肽（GSH）水平的严重限制。在此，我们开发了一种纳米反应器AB@CZP@HO，以实现SDT和氢治疗的协同抗肿瘤效果。这种基于碳掺杂中空多孔CZ的材料具有独特的碳掺杂和氧空位，能够抑制电子-空穴复合，从而增强其压电系数和超声诱导的ROS生成能力。沉积在CZ表面的Pt原子形成CZP，其过氧化氢酶样活性可催化细胞内H₂O₂的分解生成O₂，缓解肿瘤缺氧并为SDT提供更多底物。装载的高储氢能力的氨硼烷可实现高负荷的肿瘤内氢输送和pH响应性释放。释放的H₂会破坏肿瘤细胞的氧化还原稳态和线粒体膜完整性，与SDT协同作用。表面改性的透明质酸（HA）衍生物HO通过亲和取代反应耗尽肿瘤内的GSH，进一步提升SDT效果。

意义声明

本研究旨在通过制备高响应性的压电声敏剂、调节肿瘤微环境（TME）以及与氢气治疗的协同作用，开发一种用于高效肿瘤声动力疗法（SDT）的纳米反应器（AB@CZP@HO）。氢气可以破坏细胞内的氧化还原平衡并损害线粒体膜的完整性，从而增强SDT的治疗效果，并克服SDT作为单一疗法的局限性。这种多功能纳米反应器集成了多种功能模块，有望为肿瘤SDT提供新的有效策略，突破现有治疗方法的局限性。

引言

癌症是一种对人类健康构成严重威胁的疾病。由于其高发病率和死亡率，它给全球社会带来了沉重的负担。尽管传统治疗策略取得了一定的进展，但仍受到固有缺陷的制约[1]。作为一种可控的、非侵入性的治疗方式，声动力疗法（SDT）具有高组织穿透性，为肿瘤治疗提供了新的方向[2]。作为机械波，超声波可以穿透10厘米的组织，并精确聚焦于肿瘤部位[3]。这种出色的组织穿透性和空间精度有助于强烈激活声敏剂。激活后，声敏剂将能量传递给分子氧，产生活性氧（ROS）。所产生的ROS通过氧化应激直接破坏线粒体结构，引发氧化还原失衡，最终导致细胞凋亡[4,5]。因此，增加肿瘤内的ROS积累可以有效增强SDT的治疗效果[6]。因此，声敏剂的ROS生成能力对SDT至关重要，开发更安全、更高效且副作用更少的声敏剂十分重要[7]。与有机声敏剂相比，无机声敏剂具有高稳定性、长体内循环时间和可控形貌等优点[8]。作为一种无机半导体材料，ZnO因其合适的带隙特性、高电子迁移率以及优异的化学和热稳定性而被广泛用于光电学、传感等领域[9]。ZnO主要通过调节电子（e^—）和空穴（h⁺）的迁移方向，在导带（CB）和价带（VB）处引发表面氧化还原反应，从而产生ROS。然而，由于载流子分离速率有限和复合速率快，其作为声敏剂时的ROS生成量相对较低[10]。因此，提高载流子分离速率和防止电子与空穴复合成为增强ZnO压电响应性的关键。目前，缺陷工程被用于通过调节电子传输来改善材料的压电响应性。缺陷工程通过引入、调节和消除缺陷来提高材料性能。富含缺陷的声敏剂可以通过减小带隙宽度提供更多的电子捕获位点，促进电子-空穴对的分离，抑制其复合，从而提高ROS的生成速率[11]。

除了声敏剂外，缺氧的肿瘤微环境和高GSH浓度对SDT效果的影响也不容忽视。肿瘤组织的快速增长通常会导致肿瘤细胞内血管发育不全，导致肿瘤细胞内O₂供应不足[12]。结果，整个肿瘤微环境呈现缺氧状态。这种缺氧的肿瘤微环境与SDT相关的快速氧消耗相悖[13]。因此，亟需改善缺氧的肿瘤微环境。为了解决这一问题，已经开发了两种增加氧浓度的方法：一种是将携氧剂直接添加到肿瘤部位，但这种方法携氧能力有限；另一种是利用过氧化氢酶将肿瘤区域中的H₂O₂分解为氧气[14],[15],[16]。因此，可以利用酶催化剂将内源性H₂O₂原位转化为O₂以缓解缺氧[17],[18],[19]。同时，为了抵抗氧化应激，肿瘤细胞通常保持依赖GSH的抗氧化状态以增强其对ROS的抵抗力[20]。与正常细胞相比，肿瘤细胞内的GSH水平更高。当肿瘤中GSH不足时，氧化还原稳态的破坏会导致ROS过度积累，从而抑制肿瘤生长。因此，耗尽GSH成为一种有前景的肿瘤治疗方法[21,22]。

尽管SDT本身具有安全性和高效性的优势，但单一疗法通常存在一定的局限性[23,24]。目前，联合疗法是一个主要方向。氢气是一种无色无味的气体，能够穿透生物细胞膜并扩散到细胞核和线粒体中。长期以来，人们认为它是一种相对惰性的分子，不会影响代谢氧化还原反应[25]。然而，最新研究表明，分子氢具有靶向抗氧化作用，可以选择性地中和高毒性ROS（如羟基自由基·OH），同时不影响其他具有生理功能的ROS[26]。此外，氢气会扰乱肿瘤细胞内的电子传输链，导致线粒体功能障碍和ATP合成受抑制。此外，H₂会破坏肿瘤细胞内的氧化还原稳态，并通过调节相关凋亡酶上调促凋亡蛋白caspase-3的表达，最终诱导肿瘤细胞凋亡[27,28]。由于其独特的生物学特性和选择性治疗机制，氢治疗被认为是一种非常有前景的治疗方法，并已被证明可以与多种疗法有效协同[29],[30],[31]。传统的氢气输送方式主要包括吸入氢气、饮用富氢水和注射富氢盐水[32]。然而，H₂的溶解度低，容易失控释放，且缺乏靶向性[33]。上述传统输送方法在实际应用中往往不理想，尤其是在肿瘤治疗中。因此，如何实现氢气的可控释放和精确输送是一个亟待解决的问题。

基于上述分析，本研究旨在构建一种多功能纳米反应器AB@CZP@HO，通过制备高响应性的压电声敏剂、调节肿瘤微环境（TME）以及与基于氢的气体治疗的协同作用，实现高效的肿瘤SDT。该纳米反应器基于金属有机框架MOF-5，在N₂气氛下煅烧形成碳掺杂的中空多孔CZ纳米结构；随后在其表面原位沉积铂（Pt）纳米粒子以形成CZP。在CZP的內腔中装载氨硼烷（AB）后，表面用含有酯键的透明质酸（HA）衍生物HO进行修饰，从而得到AB@CZP@HO纳米反应器。对于CZ组分，通过缺陷工程引入碳掺杂结构使其具有高压电响应性，使其可作为高效的压电声敏剂。此外，Pt纳米粒子具有过氧化氢酶样活性，可催化H₂O₂的分解生成O₂，为SDT提供足够的底物。AB可以在弱酸性的肿瘤微环境中释放H₂，破坏肿瘤细胞的氧化还原稳态和线粒体功能。HO含有双键，可与GSH中的-SH反应，从而耗尽细胞内的GSH水平。这种多功能纳米反应器集成了多种功能模块，有望为肿瘤SDT提供新的有效策略，并突破现有治疗方法的局限性。

章节片段

材料

Zn(NO₃)₂·6H₂O、1,4-二羧基苯（H₂BDC）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、丙烯酸、N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）和H₂PtCl₆·6H₂O从Aladdin购买；十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、N,N-羰基二咪唑（CDI）、4-二甲基氨基吡啶（DMAP）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP-58000）和透明质酸（HA）从Macklin购买；硼氢化钠（NaBH₄从上海凌峰化工购买；胎牛血清（FBS）从Ozfan购买。

AB@CZP@HO的合成与表征

AB@CZP@HO的合成方案如图1所示。首先在超声波水热条件下合成中空MOF-5结构，然后通过高温热解转化为CZ纳米粒子。透射电子显微镜（TEM）成像（图2A）显示MOF-5的平均尺寸约为170纳米，动态光散射（DLS）测量（图S2A）显示水合颗粒尺寸约为180纳米，与TEM观察结果一致。

结论

总结来说，我们开发了AB@CZP@HO纳米反应器，并通过缺陷工程合成了具有高压电效应的CZ纳米粒子，随后在其表面原位沉积Pt纳米粒子。Pt纳米粒子不仅催化H₂O₂的分解生成O₂，还在超声刺激下增强ROS的生成。AB在弱酸性的肿瘤微环境中释放氢气，破坏线粒体膜的完整性，从而实现...

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宋鹏远：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、验证、方法学、研究、数据分析、概念化。陈晓辉：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、方法学、研究、数据分析、概念化。刘宇辰：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、资源准备、方法学。傅康：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、资源准备、项目协调。