哈尔滨师范大学郭伟/黑龙江大学井立强Adv Sci：Cu₂O-CoWO₄纳米片复合材料的制备及声动力和光热辅助的肿瘤铜死亡治疗

学术 2024-11-24 08:52 北京

研究背景

铜是一种重要的微量元素，参与细胞呼吸、铁代谢和结缔组织形成等生物过程。因此在肿瘤微环境中，铜维持肿瘤细胞正常功能的作用，然而过量的铜能破坏细胞稳态，导致酶功能紊乱、DNA损伤等一种新型的程序性细胞死亡形式——铜死亡。研究表明，铜通过影响线粒体三羧酸循环中的脂酰化酶活性，促进蛋白质的脂酰化积累，进而诱发肿瘤细胞死亡。为了增强肿瘤铜死亡治疗效果，近年来的研究，探索了以铜基纳米材料作为肿瘤治疗的策略，尤其是通过光热和声动力学协同促进铜死亡的应用。然而，现有铜基材料存在铜离子释放缓慢的问题，因此，需要开发新型铜基材料而有效释放铜离子成为增强肿瘤治疗效果的有效途径。为此，结合二维纳米片材料的高表面积和Z型异质结有利于电荷分离的优势，开发一种温度敏感水凝胶系统，以增强铜离子的持续释放提高治疗效果，为肿瘤治疗提供新思路。

文章概述

近日，由哈尔滨师范大学郭伟副教授与黑龙江大学井立强教授研究团队联合开发一种新型界面紧密连接的Cu₂O-CoWO₄纳米片异质结（CCW-NH）用于铜死亡治疗的构建策略。实验表明，在超声和激光照射的联合作用下，显著增强了铜死亡的治疗效果（铜离子的有效释放比未处理组提高了1.7倍）。这是由于CCW-NH在超声作用下通过Z型电荷转移机制高效生成超氧自由基，进而促进CCW-NH中的铜离子高效释放。同时，结合光热效应也可以有效促进快速的铜离子释放。当在肿瘤治疗中进一步使用L-Arg作为还原剂，能够在治疗过程中保持铜离子（Ⅰ）的持续存在。将CCW-NH和L-Arg结合到温度敏感的注射水凝胶（HP-CCW@LA）中，最终实现了高达95.1%的肿瘤抑制率。值得注意的是，在用HP-CCW@LA治疗后，肿瘤微环境中的铜离子（Ⅰ）能够被进一步利用，为通过磁共振成像监测肿瘤治疗效果提供了潜力。本研究提供了一种新型的集成策略，用于新型铜死亡剂的开发和治疗评估。

图文导读

图1：基于CCW Z型异质结构的可注射水凝胶的合成以及增强铜死亡作用机制示意图。

图2：a) CCW-NH的扫描电子显微镜（SEM）和 b) 透射电子显微镜（TEM）图像。c) CCW的TEM-EDS元素分布图。d) CCW的加热和冷却曲线。e) 使用NBT探针检测•O₂^-。f) 在超声（US）照射下，使用Cu₂O、CoWO₄和CCW消耗GSH。g)，h)计算的CoWO₄（-1 1 0）和Cu₂O（1 1 0）表面功函数。i) CCW-NH的三维电荷密度差异揭示了CoWO₄和Cu₂O之间的变化。蓝色和黄色区域分别表示电荷耗尽和积累。j) CoWO₄/Cu₂O界面中电荷转移过程的示意图。k) 在不同条件下，CCW-NH分散体系中铜离子的释放图。

图3：a) 使用MTT实验对L929和4T1细胞在不同浓度下的CCW细胞毒性进行评估。b) 在不同处理下监测与4T1细胞共培养的CCW中的铜释放。c) 不同处理后CCW处理组的平板克隆形成实验。d) 使用DCFH-DA探针对不同实验组的ROS生成进行测量。e) 对各组ROS荧光强度进行定量分析。f) 使用AO染料评估不同组的细胞膜通透性。g) 通过Ca-AM/PI染色评估不同实验组的细胞活性。h) 通过蛋白印迹分析检查各组的蛋白质表达。i) 使用免疫荧光成像观察不同实验组中DLAT的寡聚化。j) 在不同实验组中检测DNA损伤。

图4：a) 不同冷冻干燥样品的SEM图像。b-d) HA+10% Pluronic F127、HA+20% Pluronic F127和HA+40% Pluronic F127的储存模量和损耗模量，以及e) 粘度。f) HP-CCW@LA在不同温度下的溶胶-凝胶转变性能测试。g) 不同样品的光热曲线。h) 在不同功率密度的激光照射下记录的HP-CCW@LA的光热曲线。

图5：a) 4T1荷瘤小鼠的治疗协议。b) HP-CCW@LA+Laser、HP-CCW+US+Laser和HP-CCW@LA+US+Laser组的肿瘤表面温度曲线和c) 相应的热成像图。d, g) 控制组和治疗组的肿瘤体积，e) 肿瘤重量，f) 体重，以及h) 肿瘤照片。

图6：a) CCW+H₂O₂（10 mM）浓度与1/T2之间的关系曲线。b) 注射HP-CCW@LA后不同时间间隔小鼠肿瘤部位的MRI效果。d) 经过不同处理后小鼠肿瘤切片的ROS、NO、FDX1、H&E、Ki67和TUNEL染色图像。

结论

总之，本研究利用“原位合成-后还原”方案发展了一种异质结界面紧密接触的CCW-NHZ型异质结的合成策略，用于基于铜死亡的癌症治疗。CCW-NH在声动力和光热效应的联合作用下表现出快速的铜离子释放，使其成为一种有前途的治疗剂。此外，将CCW-NH与温度敏感的水凝胶和L-Arg结合，形成了一种可注射的水凝胶系统（HP-CCW@LA），该系统能够实现靶向肿瘤铜积累和持续的铜离子（Ⅰ）存在，从而增强治疗效果。该系统还通过肿瘤微环境中铜离子的转化，促进了基于MRI的治疗监测。这项研究推进了铜死亡治疗的发展，并为开发新型基于铜的治疗剂提供了新的见解。

文献信息

Zhuoran Yang,# Zhuo Li#, Chunyu Yang, Li Meng, Wei Guo*, Liqiang Jing*, Synthesis of Closely-Contacted Cu₂O-CoWO₄ Nanosheet Composites for Cuproptosis Therapy to Tumors With Sonodynamic and Photothermal Assistance. Advanced Science,2024, 2410621.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202410621

作者介绍

井立强教授：男，博士生导师，入选国家级、省部级人才计划，教育部创新团队带头人，享受国务院特殊津贴专家，哈尔滨工程大学、吉林大学兼职教授。现任功能无机材料化学教育部重点实验室副主任。受邀担任中国可再生能源学会光化学专业委员会、中国感光学会光催化专业委员会和中国化工学会化工新材料专业委员会副主任委员等。受邀担任“Materials Research Bulletin”、“The Innovation”、“Chinese Journal of Catalysis”、“Chinese Chemistry Letter”和“eScience”国际重要（SCI）刊物等编委。20多年来主要围绕纳米半导体光催化及其在能源生产和环境净化及检测等应用方面开展深入研究，获批主持承担包括5项国家级重点项目在内的20余项省部级以上重要课题。获得省科技奖一等奖2项、中国授权发明专利17项。作为第1/通讯作者，至今已在“Angew Chem Int Ed”、“Adv Mater”、“Nat Commun”、“Chem Soc Rev”、 “Energy Environ Sci”、“Adv Energy Mater”、“Adv Sci”和“Environ Sci Tech”等上发表SCI论文210余篇。近10年连续成为了Elsevier 公司发布的中国高被引学者，连续入选斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家终身成就榜。研究论文多次被“ACS C&EN”、“Wiley China”和“X-Mol”等学术媒体和交流平台重点推介。经常性地受邀在与化学、环境、能源、催化、材料等相关的国内外重要学术会议上做主题报告等。详见课题组网页：photocatalysis.hlju.edu.cn。

郭伟副教授：博士、省优青，副教授，硕士生导师，毕业于哈尔滨工业大学，主要从事无机纳米材料的可控制备及光热抗肿瘤应用研究，对于纳米材料的合成与组装、形貌与尺寸的调控、光热转换性能改进、细胞培养与小鼠模型的构建等方面积累了丰富的研究经验。近年来，主持国家自然科学基金一项、黑龙江省优秀青年基金与黑龙江省青年创新人才培养计划两项，以第一作者和通讯作者在Adv. Mater.、Chem. Mater.、Chem. Eng. J.、Adv. Healthcare Mater.、 Bioresour. Technol.、J. Colloid Interface Sci.、 ACS Appl. Mater. Interfaces及Desalination等高水平期刊上发表论文30余篇。出版1部教材。郭伟副教授课题组主页：www.x-mol.com/groups/weiguo

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