《ACS Nano》：NIR-II光增强的生物催化剂用作肿瘤治疗的“生物导弹”

生物正交催化是对复杂生命环境中自然化学转化无法达到的子领域的有效补充。它可以应用于从原位酶和前体药物活化、细胞内/亚细胞探针释放到生物分子标记和代谢物检测等一系列应用领域。具有良好生物正交性和催化性能的过渡金属材料如Cu、Pt、Fe、Ir、Pd、Ru等通常涉及此类化学的管理。

其中，Pd催化的生物正交键断裂反应应用广泛、报道较多，但反应效率低，应用于生理环境中可能会影响治疗效果。基于此，中国科学技术大学曲小刚研究员团队构建了NIR-II光促进集成催化剂（CuS@PDA/Pd），以加速反应效率并实现双生物正交反应用于联合治疗。在制备硫化铜纳米片后，在其周围沉积均匀的聚多巴胺（PDA）涂层（记为CuS@PDA），并以此为支架，通过硼氢化钠还原负载Pd纳米粒子（方案1）。

相关研究成果于2022年11月18日以“NIR-II光双药物”为题发表在《ACS Nano》上。

图1：集成CuS@PDA/Pd催化剂的构建及应用示意图

1. CuS@PDA/Pd催化剂的表征

首先，作者采用顺序沉积法制备了CuS@PDA/Pd催化剂。TEM显示CuS NPs形成了片状结构，平均直径为20nm（图1a）。TEM观察（图1b）表明CuS被成功封装在PDA层中，FT-IR光谱和紫外-可见光谱也证实了这一点（图1g）。CuS@PDA和CuS@PDA/Pd保留了母体CuS纳米片的结晶特征，这意味着PDA和Pd在CuS纳米片表面的顺序沉积并没有破坏CuS纳米片的固有结构。

图1 CuS@PDA/Pd催化剂的表征

2. 光热转换性能

随后，通过检测不同浓度染料的温度变化来评估它们的光热转化性能。从图2中可以看出，在808nm或光照射下，NP水溶液（100μg/mL）的温度可以在10min内升至约52℃，优于空白对照组，表明其具有良好的光热转化能力。同时，不同浓度的CuS@PDA/Pd NP水溶液的红外热像在某一波长的激光辐照下也呈现出不同的对比，表明在所测浓度范围内，光热效应具有浓度依赖性。同时，CuS@PDA/Pd的光热加热行为取决于辐照激光的功率密度的增加。最后经过三次加热和冷却循环（图2d）。在三个循环过程中，纳米粒子的光热转化性能均没有发生明显变化，表明其具有良好的热稳定性。

图2 光热转化性能

3. 催化剂联合治疗的可行性

接下来，为了探索联合处理的可行性，作者在体外测量了CuS@PDA/Pd对点击反应的促进作用。加入CuS@PDA/Pd纳米粒子后，荧光强度明显增加（图3e），同时还监测了荧光强度随反应时间的变化（图3f）。对CuS@PDA/Pd重复使用性测试表明，在实验条件下，该催化剂具有良好的稳定性和重复使用性。

考虑到生物相容性和催化效率的需要，后续细胞测定中选择50 μg/mL催化剂。随后在NIR-II光照射下，在MCF-7细胞中进行断键反应或点击反应。在断键反应方面，单独用CuS@PDA/Pd处理的细胞的荧光与对照相比相对较弱，而用NIR-II照射的细胞的荧光明显增强，如荧光图像所示（图3g）。对于点击反应，用CuS@PDA/Pd处理的细胞显示出明亮的荧光，如图3h所示。

图3 CuS@PDA/Pd对点击反应的促进作用

4. 体内评价

作者利用CuS@PDA/Pd催化剂原位生成两种不同的抗癌剂进行联合治疗（图4a）。氟尿嘧啶（5FU）作为临床药物，常与其他化疗联合使用，大大提高疗效，其抗癌机制是抑制胸苷酸合酶，将其代谢产物合成RNA和DNA。本研究中，作者利用CuS@PDA/Pd NPs进行细胞内局部活化，使pro-5FU 3同时发生脱丙基化和CuAAC反应，生成白藜芦醇类似物10，从而增强细胞毒活性（图4）。如图4b所示，单独与CuS@PDA/Pd NPs培养的细胞在NIR-II辐照下细胞存活率略有下降至78%，这意味着实验条件下激光辐照具有较弱的光热肿瘤杀伤作用。在双生物正交反应组中，3天后细胞存活率下降至27%，证实了键断裂和CuAAC反应的结合可以改善治疗效果。该设计的系统也应用于其他癌细胞系。

图4.CuS@PDA/PD介导的两种抗癌药物在细胞培养中的生产。

鉴于在细胞水平上的优异结果和NIR-II光的显著优势，作者随后还在体内实验中评估了该假设（图5）。在体外实验中，在808和1064 nm激发下，CuS@PDA/Pd的光热温度变化相似（图2a）。考虑到NIR-II光在医疗应用中的组织穿透深度和较高的MPE限值，进一步研究了CuS@PDA/Pd在1064 nm下的光热性能。利用热成像相机研究了CuS@PDA/P NPs在体内的光热性能（图5e），红外热像显示，小鼠在1064 nm激光辐照下具有更有效的加热效果，表明CuS@PDA/Pd在1064 nm的光热效应优于808 nm下的MPE限值。

在所有实验设置组中，第6组对肿瘤扩张的抑制效果最高（图5b、5c和5d），表明两种抗癌药物同时产生与单一治疗相比在小鼠体内产生的肿瘤最小。上述实验结果说明了在NIR-II激光照射下双药联合治疗增强的肿瘤杀伤效果。

图5 CuS@PDA/Pd联合NIR-I/NIR-II辐照在原位肿瘤治疗中的应用

综上所述，本文通过在硫化铜纳米片上负载钯纳米粒子，构建了近红外光促进的Pd介导的生物正交裂解反应平台，以加速反应速率，提高肿瘤治疗效果。建立的集成催化剂可以进行多种生物正交催化。对于原位4T1肿瘤的治疗，两种抗癌药物与单一治疗相比有利于增加细胞死亡和肿瘤杀伤，表明联合治疗效果显著。综上所述，本工作不仅为利用NIR-II光提高过渡金属催化效率提供了范例，也为定制具有多种功能的不同集成催化剂提供了视角，具有临床联合治疗的潜力。