中国科学院合肥物质科学研究院，中国科学院合肥物质科学研究院研究生处
2022年3月1日，中科院合肥物质科学研究院强磁场科学中心王辉研究员带头的合作研究团队在Small发表论文，报道了一种氮掺杂碳包覆的氧化亚铜空心纳米胶囊（HCONC）的制备技术，HCONC在体外和体内实验中，均呈现出优异的抗肿瘤能力，且没有引起全身毒性，或可成为高效抗癌新策略。
论文截图
癌症治疗面临的巨大挑战
癌症由于其复杂性和不可控制性已成为导致死亡的主要原因之一。传统的癌症治疗手段包括：手术切除、放疗和化疗。这些治疗方式通常只能起到“治标不治本”的效果，而且治疗期间和愈后也会给患者带来身心上的强烈痛楚。
相较于传统的治疗方式，以体积微小著称的纳米材料在治疗过程中能够特异性的到达肿瘤区域并发挥治疗作用，却又不展现出明显的毒副作用，达到了“治标又治本”的效果。因而，近年来，响应肿瘤微环境（TME）的化学动力学疗法（CDT）受到广泛关注。尽管CDT具有侵袭性小、肿瘤病灶靶向性高的优势，但这种疗法仍面临巨大挑战。
CDT是一种基于纳米酶的芬顿或类芬顿反应的治疗方法，可以在缺氧的肿瘤细胞中将H2O2原位分解成·OH[1]。传统CDT主要集中在Fe2+介导的芬顿反应，而却受到较强酸环境和较低反应速率的限制。此外，肿瘤细胞中谷胱甘肽（GSH）的过表达也会破坏细胞内毒性活性氧（ROS），导致治疗效果受限。
对此， Cu+介导的化学动力学治疗受到了研究团队的注意，其催化效率和反应条件要显著优于传统的Fe2+，同时，Cu+/Cu2+的低氧化还原电位能够有效的消耗肿瘤细胞中的GSH，阻止其对新生的ROS产生破坏。但是，亚铜基纳米催化剂容易被氧化和可能存在的金属离子泄漏进而引发毒性等问题，这严重限制了其在癌症治疗中的应用。因此，开发一种具有良好生物相容性的亚铜基纳米催化剂来清除过表达的GSH以增强CDT疗效是十分必要的。
HCONC：减毒增效，双管齐下
在这项研究中，研究团队致力于氧化亚铜纳米晶体表面改性，合成了HCONC纳米胶囊。这种由纳米颗粒组成的“纳米胶囊”不同于传统意义上的“胶囊”概念，它是在中空的氧化亚铜纳米晶体的表面附着一层氮掺杂碳的薄层从而形成“胶囊”式的核-壳结构，这一独特的设计既能阻止内部氧化亚铜的氧化，也能提升材料整体的生物相容性和生物安全性，达到特定部位释放Cu+；而释放于TME中的Cu+还可分解过表达的GSH以保护新生的ROS，完成化学动力学治疗癌症的过程。
HCONC催化的级联反应用于肿瘤的化学动力学治疗示意图 | 参考文献[2]
团队的这一预想在体外和体内实验均得到了验证：HCONC 具有优秀的杀伤肿瘤细胞并抑制肿瘤组织生长的治疗效果，且不会引起全身毒性，是减毒增效的双实现。
本次氮掺杂碳包覆的氧化亚铜空心纳米胶囊的研发，是纳米材料介导的化学动力学治疗在抗击癌症方面的又一成功实践。另外，论文共同第一作者钱勇告诉果壳，纳米材料多采用自然界中已存在的材料为载体，且制备简易，价格低廉，后续降解过程也相对环保，达到“取之自然，还之自然”的目的，响应国家节能减排的号召。
优化与推广：HCONC未来可期
本次研发的纳米胶囊显示出在化学动力学治疗癌症领域的巨大潜力。目前，团队正在尝试用相同的技术对其它的金属基催化剂进行研究，相关成果还在进一步整理中。同时，团队也表示，正准备对相关的材料进行更进一步的改进。根据现有的研发成果，相关的治疗效果并未达到十分完美的地步。因此，考虑到材料本身独特的空心结构，可以进一步填充抗癌特效药物，例如阿霉素和紫杉醇等，进而增加治疗癌症的效果。另外，团队也在考虑对材料的表面进行改性，使其能够靶向癌细胞，达到利用最少剂量达到最佳治疗效果的目的。
谈及临床转化，团队表示，虽然已经提供了材料在动物身上的安全性数据和优异的治疗效果，但这只是处于初步研究阶段。由于涉及到临床使用，需要进行更多与体内安全性和有效性相关的临床前/临床研究，包括与各种类型病变细胞的特异性结合、生物分布、代谢、药效学和药代动力学。铜离子在人体内引起的毒性尚未探索，临床应用前还需进一步研究。同时，该系统的复杂性和错综复杂的结构特性需要对主客体相互作用和碳包覆氧化亚铜的制备工程有更全面的了解，以实现预期的效果。
正如团队所说，在通往临床应用的路上，还有很多其他的研究需要展开，但此次氮掺杂碳包覆的氧化亚铜空心纳米胶囊（HCONC）的成功研发无疑是让人振奋的，这是化学动力学治疗的成功实践，是高效抗癌的又一可能方案——HCONC未来可期。
致谢
感谢论文共同第一作者钱勇对本文的审阅与建议。
参考文献
[1] Li, S.-L., Jiang, P., Jiang, F.-L., Liu, Y., Recent Advances in Nanomaterial-Based Nanoplatforms for Chemodynamic Cancer Therapy. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2100243. https://doi.org/10.1002/adfm.202100243
[2] Meng, X., Zhou, K., Qian, Y., Liu, H., Wang, X., Lin, Y., Shi, X., Tian, Y., Lu, Y., Chen, Q., Qian, J., Wang, H., Hollow Cuprous Oxide@Nitrogen-Doped Carbon Nanocapsules for Cascade Chemodynamic Therapy. Small 2022, 2107422. https://doi.org/10.1002/smll.202107422
作者：秋秋
编辑：酥鱼
排版：尹宁流
题图来源：参考文献[2]
论文信息
发布期刊Small
发布时间2022年3月1日
论文标题Hollow Cuprous Oxide@Nitrogen-Doped Carbon Nanocapsules for Cascade Chemodynamic Therapy
（DOI：https://doi.org/10.1002/smll.202107422）
研究团队
通讯作者王辉：中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员。目前主要研究方向为碳基功能纳米材料的合成及其在生物医学中的应用，包括响应性药物载体和癌症诊断与治疗。
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中国科学院合肥物质科学研究院(中国科学院合肥物质科学研究院研究生处)