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中科院納米能源所李琳琳/王中林《Adv. Mater.》：無(wú)線控制、可植入和全降解的摩擦電器件用于癌癥治療
2023-07-03  來(lái)源：高分子科技

  腫瘤治療場(chǎng)（TTFields）通過(guò)電場(chǎng)干擾腫瘤細(xì)胞的有絲分裂，于2011年首次獲得美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）的批準(zhǔn)，用于治療復(fù)發(fā)性多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤。雖然TTFields在臨床應(yīng)用中取得了一定的成效，但目前TTFields治療需要復(fù)雜的電線連接，繁瑣的設(shè)備，治療時(shí)間長(zhǎng)，而且可能帶有潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素。因此，開(kāi)發(fā)一種無(wú)線控制、可植入、可降解并且治療效率高的電刺激器件，能夠?yàn)門TFields的發(fā)展提供新的機(jī)遇。


  中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李琳琳研究員和王中林院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種可植入、可生物降解和無(wú)線控制的治療性摩擦納米發(fā)電機(jī)（ET-TENG）用于惡性腫瘤治療。ET-TENG具有超薄、柔性、可植入、可降解的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在超聲波（US）的刺激下，植入的ET-TENG可以產(chǎn)生交變電場(chǎng)，同時(shí)向腫瘤組織釋放微量的抗有絲分裂藥物，如多烯紫杉醇。交變電場(chǎng)和藥物的共同作用引起細(xì)胞微管蛋白和肌動(dòng)蛋白的下調(diào)，破壞了微管和肌動(dòng)蛋白絲的組裝，導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯和細(xì)胞死亡。該器件只需花費(fèi)較短的時(shí)間（總長(zhǎng)90分鐘，VS臨床批準(zhǔn)的TTField需每天至少18小時(shí)）就能實(shí)現(xiàn)高效的腫瘤治療，而且不需要二次手術(shù)移除，避免感染和腫瘤轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)。這項(xiàng)工作為未來(lái)發(fā)展電觸發(fā)的智能癌癥治療奠定了基礎(chǔ)。 


超聲驅(qū)動(dòng)的無(wú)線ET-TENG治療癌癥的示意圖 


圖一. ET-TENG的制備、輸出性能和生物相容性。


  響應(yīng)外部超聲的ET-TENG尺寸為1厘米×1厘米，總厚度約為130微米，由兩層獨(dú)立的薄膜和夾在中間的空氣層組成。上層復(fù)合膜為摻有中空結(jié)構(gòu)共價(jià)有機(jī)框架納米籠（hCOF）的約60 μm的聚（ε-己內(nèi)酯）（PCL）納米纖維膜（記為PCL-hCOF），其上沉積了一個(gè)約100 nm的鎂層作為背電極。在純PCL納米纖維層上沉積了鎂層作為摩擦層，形成下層復(fù)合膜。兩層獨(dú)立的薄膜組通過(guò)熱壓組裝、自封裝形成ET-TENG。在頻率為23KHz、功率強(qiáng)度為0.8W cm-2的超聲下，ET-TENG產(chǎn)生~3.2V的電壓輸出。同時(shí)，藥物釋放行為具有良好的電刺激依賴性。 


圖二. ET-TENG在細(xì)胞水平上的癌癥治療效果。 


圖三. ET-TENG干擾C6大鼠腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞的細(xì)胞骨架，造成細(xì)胞周期阻滯。 


圖四. ET-TENG的體內(nèi)植入、生物降解和癌癥治療性能。


  隨后考察了ET-TENG體內(nèi)、外抗腫瘤效果（圖二、三、四）。結(jié)果證明，該器件對(duì)多種腫瘤細(xì)胞具有抑制殺傷作用。在超聲波作用下，ET-TENG能夠有效地干擾腫瘤細(xì)胞有絲分裂，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。在裸鼠皮下C6腦膠質(zhì)瘤模型的治療中，植入的器件在單次超聲波作用下獲得了良好的抗腫瘤效果。 


圖五. 電場(chǎng)刺激與抗有絲分裂藥物共同作用下C6細(xì)胞RNA轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析


  進(jìn)一步對(duì)C6細(xì)胞RNA轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在電場(chǎng)刺激和抗有絲分裂藥物的共同作用下，有絲分裂相關(guān)基因被調(diào)控，相關(guān)信號(hào)通路發(fā)生改變。


  總的來(lái)說(shuō)，該器件可以被局部植入體內(nèi)，對(duì)原位腫瘤、無(wú)法切除的腫瘤、以及手術(shù)后殘余的腫瘤發(fā)揮作用。這項(xiàng)工作不僅提供了可降解的摩擦電器件用于治療腫瘤的新方法，而且還為瞬時(shí)植入式醫(yī)療設(shè)備提供了一條新的途徑。


  近期，該研究成果以“Implantable, Biodegradable, and Wireless Triboelectric Devices for Cancer Therapy Through Disrupting Microtubule and Actins Dynamics”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)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(tǒng)研究所的博士生姚順成，通訊作者為李琳琳研究員和王中林院士。


  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202303962

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

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