Photocatalysis-mediated drug-free sustainable cancer therapy using nanocatalyst  

基于納米催化劑的光催化介導無藥可持續癌癥治療  

來源：Nature Communications, Volume 12, Article number: 1345 (2021)

《自然·通訊》第12卷，文章編號1345（2021年）  

 

摘要內容

 

研究提出"無藥治療"新策略，開發Z型SnS?.??-WO?.??納米催化劑，在808 nm近紅外光（NIR）激發下同步產生氧化性空穴和氫氣分子。該催化劑無需藥物輔助，通過空穴持續消耗腫瘤內過表達的谷胱甘肽（GSH），同時催化生成氫氣分子。氫氣分子抑制癌細胞能量代謝，GSH消耗破壞腫瘤氧化還原平衡，二者協同誘導DNA損傷和細胞凋亡。體內外實驗證實該療法高效安全，腫瘤完全消退率達20%（圖5b），且無系統毒性。  

 

研究目的

 

解決傳統化療藥物毒性大、載藥量有限的問題，通過光催化納米催化劑實現無藥物消耗、可持續的癌癥治療，突破現有催化療法需外源犧牲劑或載藥的局限。  

 

研究思路

 

1. 催化劑設計：  

   ? 構建Z型異質結：WO?.??納米點（強氧化性）負載于SnS?.??納米片（窄帶隙1.49 eV）表面，形成等離子體共振增強結構（圖2）。  

 

   ? 近紅外響應機制：WO?.??局域表面等離子體共振（LSPR）產生熱電子注入SnS?.??，實現高效電荷分離（圖3c-d）。  

 

     

2. 治療機制：  

   ? 空穴療法：光生空穴氧化GSH→GSSG，破壞腫瘤抗氧化防御系統（ADS），升高活性氧（ROS）水平（圖4c）。  

 

   ? 氫療法：光生電子還原H?→H?，抑制線粒體能量代謝，降低ATP水平（圖4d）。  

 

3. 實驗驗證：  

   ? 體外：檢測細胞攝取（圖4a）、細胞毒性（圖4b）、ROS/ATP水平（圖4c-d）、DNA/線粒體損傷（圖4e-f）。  

 

   ? 體內：評估腫瘤靶向、抑瘤效果（圖5a-c）、腫瘤微環境（TME）重塑（圖6）。  

 

測量數據及研究意義

 

1. 光催化性能（圖3e-f）：  

   ? 數據：0.5 W/cm2 NIR照射下，H?生成速率達0.8 μmol/h，GSH消耗率>80%（30分鐘內）。  

 

   ? 意義：證實催化劑可持續利用內源性GSH為犧牲劑，實現長效治療。  

 

2. 細胞能量與氧化應激（圖4c-d）：  

   ? 數據：NIR照射后，細胞內ROS↑200%，ATP↓70%（HeLa細胞）。  

 

   ? 意義：揭示空穴/氫協同破壞能量-氧化還原雙穩態的機制。  

 

3. 體內抑瘤效果（圖5a-c）：  

   ? 數據：4T1腫瘤抑瘤率89%（22天），完全消退率20%；腫瘤內H?濃度↑15倍，GSH↓90%。  

 

   ? 意義：驗證無藥療法的高效性，且無體重下降或器官損傷。  

 

4. 腫瘤微環境重塑（圖6）：  

   ? 數據：Ki67?增殖細胞↓95%，Caspase-3?凋亡細胞↑8倍，CD31?血管↓80%。  

 

   ? 意義：證實療法可全面破壞TME，克服腫瘤免疫抑制。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

使用Unisense氫微電極（方法部分）實時監測體內外H?生成（圖3e），其核心價值在于：  

1. 高時空精度：  

   ? 通過分子量截留膜（3000 Da）隔離催化劑與電極，避免光電子干擾，實現活體腫瘤內H?的實時動態監測（方法部分）。  

 

2. 治療可控性驗證：  

   ? 數據顯示H?濃度與NIR功率呈正相關（0.2→0.5 W/cm2時H?生成速率↑300%），且開關激光可精準控制H?釋放（圖3e），為"按需治療"提供依據。  

 

3. 機制關聯性：  

   ? 體內H?濃度峰值（注射后4小時）與腫瘤蓄積峰值同步，證實納米催化劑被動靶向有效性，為臨床給藥窗口設計提供數據支持。  

 

結論

 

1. 治療機制：空穴/氫協同破壞能量代謝（ATP↓）和氧化還原平衡（ROS↑），誘導DNA損傷與細胞凋亡。  

2. 性能優勢：  

   ? 高效性：腫瘤完全消退率20%，且抑制轉移。  

 

   ? 安全性：無系統毒性。  

 

3. 臨床潛力：催化劑尺寸（150 nm）利于被動靶向，可局部注射或微針貼片給藥，避免重金屬長期毒性風險。