首页 > 行业资讯 > 临沂大学郑秀文课题组《ACS AMI》：异核双活性位点催化剂用于恶性肿瘤的光热治疗和催化治疗

临沂大学郑秀文课题组《ACS AMI》：异核双活性位点催化剂用于恶性肿瘤的光热治疗和催化治疗

时间：2022-05-10 来源： 浏览：

临沂大学郑秀文课题组《ACS AMI》：异核双活性位点催化剂用于恶性肿瘤的光热治疗和催化治疗

原创 化学与材料科学 化学与材料科学
化学与材料科学

Chem-MSE

聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集
#单原子催化剂 5 个
#纳米催化医学 1 个
#异核双活性位点催化剂 1 个
#光热治疗 6 个
#催化化疗 1 个

点击蓝字关注我们

将纳米催化剂特异性导入癌细胞或肿瘤微环境原位触发催化反应（尤其是产生活性氧物种羟基自由基· OH 的芬顿反应）会使得癌细胞受到剧烈的氧化损伤而发生凋亡，进而实现恶性肿瘤的高效安全治疗。
近日，临沂大学郑秀文课教授课题组在《 ACS Applied Materials & Interfaces 》期刊上发表了题为“ Precise Design of Atomically Dispersed Fe, Pt Dinuclear Catalysts and Their Synergistic Application for Tumor Catalytic Therapy ”的文章（ D OI ： 10.1021/acsami.2c01683 ）。为提高 Fe 基催化剂的芬顿催化效率，该课题组设计制备了一种异核双活性位点催化剂（ (Fe, Pt) SA -N-C ） 并将其应用于乳腺癌的高效治疗。该研究采用一种新颖的二次掺杂策略，实现了 双活性位点（ Fe-N 3 /Pt-N 4 ）配位结构、电子结构的精确控制。在肿瘤微环境下， Fe-N 3 /Pt-N 4 双金属活性位点表现出协同增效作用， Fe-N 3 活性位点由于其有益的微观结构和丰富的活性位点，高效触发类芬顿反应，释放大量高细胞毒性的羟基自由基，诱导肿瘤细胞凋亡。同时， Pt 单原子通过调制 Fe 单原子的 3d 轨道，使 Fe-N 3 位点的类芬顿活性提高到 128.8% ，有效增强催化化疗作用。此外，在 808nm 激光照射下无定形 碳表现出较强的光热转换效率，可实现高效光热抑瘤作用，进而实现催化化疗协同光热治疗高效抑制乳腺癌。
 

示意图 1 ：异核双活性位点催化剂制备示意图及瘤内抗肿瘤机理。
I   异核双活性位点催化剂的精准制备和表征
该课题组利用二次掺杂策略成功制备了异核双活性位点催化剂（ (Fe, Pt) SA -N-C ）（ Fig . 1A ， B ）。首先，利用“隔离热解”技术，以 Z IF - 8 （ Fig .1D ）为载体，以乙酰丙酮铁为铁源，获得单原子分散 Fe 催化剂（ Fe SA -N-C ） ( Fig . 1C) 。其次，利用单分散 Fe 位点对 Pt 的还原和吸附作用，以 H 2 P t Cl 6 为铂源，经二次煅烧后获得负载 Fe -Pt 原子对的双金属活性位点催化剂 (Fe, Pt) SA -N-C （ Fig .1E ， F ），且 Fe -Pt 原子间距为 2 .38 Å （ Fig .1G ）。初步表征表明催化剂中的 Fe ， Pt 呈分散状态（ Fig. 1H, I ）。
 

图 1 . 异核双金属单原子催化剂的结构表征与分析。（ A ） (Fe, Pt) SA -N-C 的透射电子显微镜图；（ B ） (Fe, Pt) SA -N-C 的扫描电子显微镜图；（ C ） Fe SA -NC 的透射电子显微镜图；（ D ） ZIF-8 的透射电子显微镜图；（ E ）纳米催化剂的 X RD 图；（ F ） (Fe, Pt) SA -N-C 的球差校正透射电子显微镜图；（ G ） Fe, Pt 原子间距图；（ H ） (Fe, Pt) SA -N-C 的 HAADF-STEM 及（ I ） E DS mapping 图。
为进一步表征催化剂结构， X- 射线吸收近边结构分析 用于分析催化剂的化学态和配位结构。 Fe   K 边及 Pt L 3 边吸收结果表明， Fe 的价态低于 + 3 （ Fig . 2A ）， Pt 的价态接近于 + 2 （ Fig . 2B ）。傅里叶变换 X- 射线吸收近边结构分析 结果表明 (Fe, Pt) SA -N-C 中有 Fe -Pt 金属键出现（ Fig . 2C ）。根据同步辐射解析结果和参考物的对比可见，制备的 (Fe, Pt) SA -N-C 的配位结构为 Fe N 3 /PtN 4 （ Fig . 2D ， E ， H ）， Fe SA -N-C 的配位结构为 PtN 4 （ Fig . 2F ， G ， I ）。

 
图 2 . 异核双活性位点催化剂的结构表征与分析。 (Fe, Pt) SA -N-C 的（ A ） Fe K 边和（ B ） Pt L 边 X 射线吸收近边结构光谱 ; （ C ） (Fe, Pt) SA -N-C 的 K 边 R 空间 X 射线扩展边吸收精细结构光谱 ; （ D ） Fe 的 EXAFS 光谱拟合结果 ; （ E ） Fe-N 3 结构的 k 空间拟合结果；（ F ） Pt 的 EXAFS 光谱拟合结果 ; （ G ） Pt-N 4 结构的 k 空间拟合结果；（ H ） (Fe, Pt) SA -N-C 的结构模型图；（ I ） Fe SA -N-C 的结构模型图；（ J -O ） (Fe, Pt) SA -N-C 样品的 K 边小波变换等高曲线图。
I I 异核双活性位点催化剂类芬顿（ Fenton -like ）催化性能验证
电子自旋共振光谱（ E SR ）分析表明， (Fe, Pt) SA -N-C 和 Fe SA -N-C 均可以高效催化过氧化氢（ H 2 O 2 ）分解产生高细胞毒性的羟基自由基（﹒ O H ）（ F ig. 3A ）。其中， (Fe, Pt) SA -N-C 相比于 Fe SA -N-C 其 Fenton-like 催化效率提高到 1 28.8 % 。密度泛函理论（ D FT ）研究表明， H 2 O 2 吸附于 (Fe, Pt) SA -N-C 催化分解的过程如下： i ） H 2 O 2 吸附于（ Fe SA -N-C ）的 Fe -N 3 （ Fe -N 4 ）位点，其吸附能为 - 0.702 e V （ - 0.626 e V ） ;  ii ） H 2 O 2 裂解为﹒ O H 和吸附态的 O H - ； iii ）酸性环境下质子化的 H 原子与 O H - 结合生成 H 2 O ； iV ）吸附态 H 2 O 解吸催化剂重生（ Fig . 3B ）。计算表明，相较于 Fe SA -N-C ， (Fe, Pt) SA -N-C 触发催化反应中中间体热力学上更稳定，并且 H 2 O 2 吸附能更大， O -O 键长更长，更有利于 H 2 O 2 裂解和催化反应的发生（ Fig . 3D ）。经偏态密度分析可知， (Fe, Pt) SA -N-C 中 Fe -Pt 键中的 Pt 原子可有效调控 Fe 的 3 d 轨道，有利于强化 Fe -O 键和 H 2 O 2 的吸附（ Fig . 3E-H ）。研究表明制备的纳米催化剂 (Fe, Pt) SA -N-C 具有优越的光热转换能力，并且表现出典型的时间依赖及浓度依赖特性（ Fig . 3I-L ）
 

图 3. (Fe, Pt) SA -N-C 的 Fen ton-like 实验机理探究。（ A ） p H = 5.8 时的 E SR 光谱图；（ B ） (Fe, Pt) SA -N-C 芬顿机理图；（ C ） (Fe, Pt) SA -N-C 和 Fe SA -N-C 的芬顿反应自由能图；（ D ） (Fe, Pt) SA -N-C 和 Fe SA -N-C 的 H 2 O 2 吸附模型；（ E -H ） (Fe, Pt) SA -N-C 和 Fe SA -N-C 的态密度图；（ I ） (Fe, Pt) SA -N-C 、 N -C 和 P BS 的光热升温曲线；（ J ） (Fe, Pt) SA -N-C 的浓度依赖升温曲线；（ K ） (Fe, Pt) SA -N-C 的功率依赖升温曲线；（ L ） (Fe, Pt) SA -N-C 、 N -C 和 P BS 的光热成像图片。
I II 异核双金属单原子诊疗剂细胞毒性研究
为进一步提高纳米催化剂生物相容性和特异性靶向能力，利用 D SPE-PEG-FA 包裹制备的 (Fe, Pt) SA -N-C ，获得纳米诊疗剂 (Fe, Pt) SA -N-C-FA-PEG 。以 W ST-8 考察纳米诊疗剂诱导凋亡能力和安全性，研究表明诊疗剂对正常细胞（ L 02 ）几乎无毒，而对肿瘤细胞表现出明显的浓度依赖特性，尤其是在与光热治疗作用协同时表现出较强的肿瘤细胞杀伤能力，肿瘤细胞死亡率可达 9 2% （ Fig . 4A-C ）。该研究以生物电镜考察纳米诊疗剂进入肿瘤细胞的途径，研究表明诊疗剂通过胞吞作用进行肿瘤细胞，后从溶酶体释放转移至细胞质，发挥治疗作用（ Fig . 4D ）。荧光染色、活性氧探针等手段研究表明 (Fe, Pt) SA -N-C-FA-PEG 具有最高的诱导凋亡能力（ Fig . 4F-G ）。
 

图 4 . (Fe, Pt) SA -N-C-FA-PEG 的体外抗三阴性乳腺癌性能研究。（ A ） L 02 和 4 T1 细胞与 (Fe, Pt) SA -N-C-FA-PEG 共孵育后的细胞复活率图；（ B ） M CF - 7 细胞与不同浓度 (Fe, Pt) SA -N-C-FA-PEG 共孵育后的细胞复活率图；（ C ） 4T1 细胞与不同浓度 (Fe, Pt) SA -N-C-FA-PEG 共孵育后的细胞复活率图；（ D ） M CF - 7 细胞与 (Fe, Pt) SA -N-C-FA-PEG 共孵育后的生物电镜图；（ E ） 4T1 细胞与 F ITC 标记的 (Fe, Pt) SA -N-C-FA-PEG 共孵育后的荧光成像图；（ F ） 4T1 细胞与不同材料共孵育 1 0 小时后 R OS 荧光成像图；（ G ） 4T1 细胞与不同材料共孵育的活死细胞双染图。
I V 异核双金属单原子诊疗剂体内催化抑瘤性能研究
将荧光标记的纳米诊疗剂经尾静脉注射后探究纳米诊疗剂体内代谢转运情况，研究表明尾静脉注射 1 小时后纳米诊疗剂体内浓度达最高（ Fig . 5A-C ）。将荷瘤小鼠（肿瘤尺寸 1 00mm 3 ）平均分为 7 组，并利用不同的治疗策略进行治疗（ Fig . 5E ）。治疗结果表明 (Fe, Pt) SA -N-C-FA-PEG 可有效抑制三阴性乳腺癌的生长，而对小鼠无明显的毒副作用（ Fig . 5F-I ）。
 

图 5 . (Fe, Pt) SA -N-C-FA-PEG 的体内抗三阴性乳腺癌性能研究。（ A ）荧光标记的 (Fe, Pt) SA -N-C-FA-PEG 体内（ A ），瘤内（ B ）和主要器官（ C ）荧光成像图；（ D -E ）小鼠活体抗三阴性乳腺癌流程和分组图；（ F ）不同材料的肿瘤生长曲线，（ G ）体重变化曲线和（ H ）肿瘤图片；（ I ）不同材料治疗后小鼠肿瘤组织的免疫染色图片（ H& E ， T UNEL 和 Ki -67 ）。
 
论文信息 Shan Wang, Zunfu Hu,* Qiulian Wei, Ping Cui, Huimin Zhang, Weina Tang, Yunqiang Sun, Haiqiang Duan, Zhichao Dai, Qingyun Liu, and Xiuwen Zheng* ； Precise Design of Atomically Dispersed Fe, Pt Dinuclear Catalysts and Their Synergistic Application for Tumor Catalytic Therapy ， ACS Applied Materials & Interfaces ， 2022 ， DOI: 10.1021/acsami.2c01683.

原文链接

https://doi.org/10.1021/acsami.2c01683

相关进展

《ACS AMI》：钴胺素靶向纳米药物通过光热/光动力效应诱导线粒体DNA氧化损伤介导细胞焦亡增敏免疫治疗的研究

唐本忠院士团队Angew：基于NIR-II AIEgen的多模态诊疗系统用于光热协同免疫抗肿瘤治疗

大连理工大学张伟教授、吴承伟教授团队《JMST》：可注射复合水凝胶用于骨肿瘤光热治疗及骨再生

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chen@chemshow.cn

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至chen@chemshow.cn，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。

版权：如无特殊注明，文章转载自网络，侵权请联系cnmhg168#163.com删除！文件均为网友上传，仅供研究和学习使用，务必24小时内删除。
相关推荐
热门信息