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  設計具有活性的納米材料，催化內源性分子或在外源刺激下，在組織局部產生過量的活性氧分子（ROS）達到治療目的，在惡性腫瘤等的治療方面展示出巨大的應用潛力。例如，納米酶能夠催化腫瘤微環境中的內源性分子生成毒性物質殺死腫瘤細胞，具有更好的治療特異性和生物安全性。目前，如何提高納米酶在特定組織的催化效率，從而提高治療效果，是其最急需解決的問題。

  在天然蛋白酶中，Electrostatic Preorganization 效應被認為在酶與底物結合、酶活性中心的電荷密度、酶催化動力學等方面起到關鍵的調控作用。在此基礎上，已有研究發現，外加電場能夠調控酶活性位點的電荷分布和催化性能。那么，如果將外源電場作用于納米酶，是否也能夠調控、提高納米酶的催化活性，從而達到提高療效的目的？

  中科院北京納米能源與系統研究所李琳琳課題組前期工作合成了一維π-π共軛鐵卟啉共價有機框架-碳納米管(COF-CNT)，通過納米催化和光動力治療同時促進ROS的生成，提高抗腫瘤效果（Mater. Horiz. 2021, 8, 3457-3467；Nano-Micro Letters2021, 13, 176）。在以上想法的啟發下，他們將該具有π-共軛和電子離域的COF-CNT納米酶與自驅動的摩擦納米發電機（TENG）結合，設計了人體運動產生電場促進納米酶的電子極化來提高其催化活性的系統（簡稱為TENG-CatSystem），提高癌癥的催化治療。在可穿戴式TENG提供的電場下，COF-CNT的類過氧化物酶（POD）活性提高了約4倍。使用TENG-CatSystem進行小鼠4T1乳腺癌治療，療效與單獨的納米酶相比顯著提高。

圖一. COF-CNT和PC的制備及表征。

  通過5,10,15,20-四（4-氨基苯基）-21H，23H-鐵卟啉（TAPP-Fe）和2,5-二羥基對苯二甲醛（DHPA）之間的希夫氏堿縮合反應，在多壁碳納米管外包覆COF獲得COF-CNT （圖一）。隨后制備了含有COF-CNT的PEDOT:PSS導電水凝膠（簡稱為PC）。PC不僅為COF-CNT的電子在電場下的快速傳輸和分離提供了理想的介質，也提高了COF-CNT在腫瘤組織的蓄積。

圖二. TENG的制備和輸出性能測試。

圖三. 納米酶和導電水凝膠的力學和催化性能

  可穿戴的TENG穿戴在手臂上時，能夠在手指的摩擦下產生脈沖電場，強度可根據TENG的尺寸等進行調控（圖二）。導電水凝膠具有良好的可注射性，以及合適的剪切變稀特性（圖三）。在人體自發電場下，復合了納米酶的水凝膠（PC）的類POD酶的Michaelis-Menten動力學常數為3.2 mM，活性是沒有電場下PC的4倍左右。COMSOL模擬發現，在自發電場的作用下，電荷極化發生在COF-CNT的表面，極化模達~23 C m^-2，從而加速了電子的產生和移動，提高了COF-CNT的類POD酶活性。

圖四. TENG-CatSystem的細胞水平抗腫瘤效果和機理研究

  進一步評估了其體內、外的抗腫瘤效果（圖四、五）。發現體外模擬腫瘤微環境下, TENG-CatSystem具有極高的細胞殺傷效果，導致細胞內ROS升高，細胞外鈣內流，細胞發生氧化損傷和凋亡。用于體內4T1乳腺癌腫瘤治療時，同樣獲得了最佳的抗腫瘤效果。

圖五. TENG-CatSystem的體內抗腫瘤治療效果。

  總的來說，這一自驅動的催化促進系統——TENG-CatSystem，能夠大大提高納米酶的催化活性，提高癌癥催化治療效果。與傳統的電刺激手段相比，可穿戴式TENG可以免除使用笨重的電刺激器，具有自驅動能力，生物安全性高，調控靈活等優點。這一工作提出了通過自驅動外源電場提高納米酶活性的新方法，也展示了一種患者自我控制的全新治療模式的可能性。

  近期，該研究成果以“Bioinspired Electron Polarization of Nanozyme with Human Self-Generated Electric Field for Cancer Catalytic Therapy”為題發表在學術期刊Advanced Materials上。文章的第一作者是中科院北京納米能源與系統研究所的博士生姚順成，通訊作者為中科院北京納米能源所王中林院士和李琳琳研究員。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109568

  李琳琳課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/lilinlin