声动力治疗（SDT）因其微创、穿透组织深、不良反应小等优点，在肿瘤治疗中得到了广泛的关注和快速的发展。然而传统的声动力治疗的氧依赖特性和简单的应用使得其难以在复杂的肿瘤微环境（TME）中发挥最大的效能。值得注意的是，压电生物材料能够被超声（US）激活，从而影响其极化强度并产生开路电压，在不依赖于O₂的微环境中用于水解产生活性氧（ROS），用于肿瘤的压电动力治疗（PEDT）。药械结合（Drug-device Combination）一直是创新药物与医学设备的有效策略，而将药物/生物材料、现有医疗器械与物理场结合，进一步实现药械场整合（Drug-device-field Integration）是疾病干预与治疗的新范式。场作为联结药物/生物材料与医疗器械的重要枢纽，可以由体外器械远程控制其产生大小强度，能即时实施有效干预，关联生命元素与器械硬件双向通讯，以更便捷的方式实现生命信号的高灵敏捕获与远程无线传输。

天津大学刘哲教授团队构建了一种将Z-型纳米异质结（BaTiO₃@MnO₂）偶联到负载阿霉素的碳纳米管上，形成功能化的纳米复合物（BD-HA），用于非氧依赖性和肿瘤微环境（TME）调节的肿瘤治疗。BaTiO₃和MnO₂的存在提供了内置电场，诱导能带倾斜，有效的电子转移延长了电子-空穴分离寿命，并保持了强的氧化还原电势，进而电解水产生丰富的活性氧。体内实验证明，纳米复合物经尾静脉注射后，能够在肿瘤处主动靶向聚集，超声介导治疗显示了不依赖于氧气的肿瘤消除效应，并伴有CD4⁺和CD8⁺ T细胞的大量募集，提示了内在的免疫增强抑瘤机制。相关工作以“Drug-Device-Field Integration for Tumor Therapeutic Interference with Home-Tailored Nano-heterojunctions”为题发表在期刊Advanced Composites and Hybrid Materials。

【文章要点】

本课题组采用不对称的四边形钛酸钡（BaTiO₃）在电子极化的作用下实现了钛离子位移的偏离中心，为了抑制电子-空穴复合，提高压电性能，引入二氧化锰（MnO₂）形成BM异质结。通过x射线衍射（XRD）和x射线光电子能谱（XPS）分析进一步验证BM纳米异质结的制备。图1A显示了在2θ = 45°时具有分裂双峰的BaTiO₃米粒子的结构，表明与四方相结构一致具有压电性能。BM异质结的XRD光谱包括相应的四方BaTiO₃和MnO₂峰，证实了BM异质结的成功制备（图1B和1C），BD-HA的XRD光谱表明，制备工艺对其异质结结构没有影响（图1D）。此外，BaTiO₃的XPS光谱显示了相应的Ba、Ti和O元素，而MnO₂光谱显示了Mn和O元素（图1E和1F）。BM的XPS光谱显示所有Ba， Ti， O和Mn元素，证实了异质结结构（图1G）。在BD-HA中，检测到Ba、Ti、O、Mn、C和N等元素的存在，证实了纳米复合物的成功制备（图3 H）。利用Ba， Ti， Mn和O的高分辨率XPS光谱分析BaTiO₃，MnO₂和BM异质结。在BaTiO₃中，观察到Ba²⁺ 3d3/2， Ba²⁺ 3d5/2, Ti⁴⁺ 2p3/2， Ti⁴⁺ 2p1/2和Ti-O 1s峰。同样，在MnO₂的高分辨率XPS光谱中，可以观察到Mn³⁺ 2p3/2， Mn⁴⁺ 2p3/2, Mn³⁺ 2p1/2, Mn⁴⁺ 2p1/2， Mn-O 1s和H-O 1s峰。在BM异质结中，Ba, Ti， Mn和O元素的所有上述特征峰都在高分辨率XPS光谱中被观察到。

为了阐明电子传递路径，BaTiO₃和MnO₂的能带结构用UV-VIS-NIR和XPS光谱进行了表征在图1I和1J中，XPS光谱中BaTiO₃和MnO₂的VB值分别在2.33 eV和1.66 eV左右。同时，通过Kubelka-Munk方程计算了BaTiO₃和MnO₂在UV-VIS-NIR光谱中的带隙（Eg），得到Eg值分别为2.96 eV和3.25 eV（图1K和1L）。此外，BM的能带结构表现为VB值为2.17 eV， Eg值为3.18 eV，CB值为-1.01 eV，表明BM异质结保留了较强的氧化还原电位。由于费米重排的能级，BaTiO₃和MnO₂的接触引发了电子转移，从而导致界面微电场的形成。相反的带电界面上的电子-空穴积累引起能带倾斜，从而调制内置微电场下的能带对准。BaTiO₃的CB电子迁移占据了MnO₂的VB空穴，类似于Z-Scheme电子传递途径。此外，超声辐照促进了电子向表面迁移，这一过程保持了电子-空穴分离，并保持了较强的氧化还原电位。因此，z型异质结有效地代表了促进ROS产生的最佳催化性能（图1M）。

图1. BM纳米异质结的能带结构和Z型异质结电子转移机制。

将BD-HA纳米复合物暴露于10 mM的GSH中，与对照组相比，发现了强的Mn²⁺的六个特征峰，表明GSH可以在与MnO₂的反应中被消耗（图2A）。如图2B所示，加入H₂O₂后亚甲基蓝（MB）被降解，表明发生了Mn²⁺介导的类芬顿反应。我们构建了低氧环境，比较了常氧和低氧条件下ROS的产生。如图2D-E所示，超声辐照后在常氧和缺氧条件下都发现明亮的绿色荧光，表明BD-HA在有氧和无氧条件下都能有效产生ROS。如图2F所示，纳米复合物与细胞共培养6 h后细胞核周围出现微弱的红色荧光，而培养24 h后BD-HA组较BD组明显的红色荧光更强，说明HA的存在可以促进CD44介导的靶点聚集和纳米复合物的摄取。同时，用BD和BD-HA处理MCF-7细胞0、12、24 h，通过流式细胞定量检测其靶向能力，随着孵育时间从0 h延长到24 h，BD-HA标记的MCF-7细胞的荧光从3.9%增加到98.6%，明显强于BD标记的MCF-7细胞，从5.2%增加到41.9%（图2G、2H）。通过培养MCF-7细胞进行活/死染色，如图2I所示，BD-HA+US组对肿瘤细胞的损伤最明显，而control组、DC组、BaTiO₃组、BM组和BD-HA组对MCF-7细胞的毒性很小，表明超声介导的细胞毒性最强。

图2. BD-HA纳米复合物的主动靶向和肿瘤微环境调节。

鉴于优异的体外抗肿瘤治疗效果，我们建立了MCF-7肿瘤模型来评价BD-HA的治疗效果。首先，我们进行了体内荧光成像，以确认注射BD和BD-HA纳米复合物后的靶向能力（图3A）。发现2 h肿瘤部位荧光达到相对强烈，随后逐渐消退，表明该纳米复合物在小鼠体内逐渐清除。如图3B所示，将荷瘤小鼠随机分为control组、BD-HA组和BD-HA+US组。治疗过程中仔细记录整个治疗期间的肿瘤体积和体重，BD-HA+US组的肿瘤体积显著小于对照组和BD-HA组（图3C）。治疗后肿瘤病灶完全切除，肿瘤生长抑制率高达90±2%（图3D）。小鼠体重变化在整个治疗过程中与其他组相比没有明显的体重下降，表现出良好的生物相容性（图3E）。在肿瘤的治疗中，HIF-1α可被常规SDT过程中的氧耗量上调，并加剧缺氧环境，图3F显示，BD-HA+US组HIF-1α蛋白表达与对照组相近（1.051比1），低于BD-HA组（1.051比1.276），说明PEDT过程不影响HIF-1α蛋白表达。即使在肿瘤的低氧微环境中，如图3G所示，与其他两组维持良好的中立组织细胞活力相比，BD-HA+US组也发现了大面积的细胞质破裂和变形的细胞核，表明了超声介导的BD-HA PEDT的优势。采用ROS染色试剂盒对对照组、BD-HA组和BD-HA+US组肿瘤组织进行染色，病理学验证超声介导的PEDT效应。如图3H所示，BD-HA+US组肿瘤组织的细胞核呈弱蓝色荧光，ROS呈强红色荧光，可见乏氧肿瘤内ROS大量产生。ROS的产生导致细胞膜电位下降，释放细胞色素c激活Caspase-3， Caspase-3被称为执行器，直接切割细胞中的结构和功能蛋白，导致细胞凋亡。果然，BD-HA+US组中Caspase-3的荧光分布与ROS一致，呈大面积的绿色强荧光，提示肿瘤中出现了不可修复的细胞凋亡（图3I）。

图3. 荷瘤老鼠体内使用BD-HA的超声介导的PDET-CDT-化疗联合治疗。

【结论与展望】

在本项研究中，我们成功制备了Z-型纳米异质结BM，经偶联构建了肿瘤主动靶向聚集和肿瘤微环境调节的纳米复合物BD-HA。在纳米异质结中，BaTiO₃和MnO₂之间的结形成界面电场并引起能带倾斜，触发BaTiO₃ CB中的电子与MnO₂ VB中的空穴结合，使BaTiO₃ VB中的空穴和MnO₂ CB中的电子具有更强的氧化还原电势。超声可激活BM的强氧化还原电位，产生开路电压和电荷，有效催化肿瘤中丰富的H₂O生成•OH和•O₂^-。在肿瘤微环境调节中，谷胱甘肽被MnO₂消耗以保护ROS，Mn²⁺的产生诱导CDT的类芬顿反应。在动物实验中，静脉注射的BD-HA在超声介导下产生大量的ROS，最终达到90±2%的肿瘤抑制效果。此外，BD-HA+US组的CD4⁺和CD8⁺ T细胞浸润显著增加，证明了该策略增强了肿瘤组织的免疫活性，从而揭示了治疗的内在抑瘤机制。

【课题组简介】

天津大学刘哲教授：天津大学“北洋英才”长聘教授、博士生导师、英国皇家医学会会士（FRSM）、英国皇家化学会会士（FRSC）、英国皇家生物学会会士（FRSB），先后在美国斯坦福大学医学院分子影像研究中心（MIPS）、德国亚琛工业大学亥姆霍兹生物医学工程研究所从事博士后研究，聚焦智能疾病诊疗、可视化医学、影像导航手术等方向，开展基于智能医学材料的疾病干预与治疗新方法、新策略研究，主编中、英、德文学术专著6部（Springer Nature、Elsevier、化学工业出版社），参编中国肿瘤整合诊治技术等临床医学指南三项，兼任Intelligence-Based Medicine（Elsevier）、VIEW（Wiley）、Cancer Letters等国际学术期刊编委。

原文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-024-01184-y

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