中科院上海硅酸鹽所提出「納米催化醫學」新概念

近期，中國科學院上海硅酸鹽研究所施劍林研究員和陳雨研究員在國際權威綜述學術期刊《化學學會評論》（Chemical Society Reviews）首次提出「納米催化醫學」新概念（Nanocatalytic Medicine, NCM），對「納米催化醫學」這一全新概念進行了精確的定義和全面的闡述，並將這一新的方法應用在腫瘤的高效、安全治療中，為納米醫學和臨床醫學的發展開闢了一個全新的研究領域。

常規的腫瘤化療採用具有高細胞毒性的化療藥物，通過細胞凋亡或非選擇性壞死的途徑同時殺死癌細胞和正常細胞。如果能夠採用無毒/低毒的納米顆粒，通過選擇性地催化/觸發腫瘤組織內部的特定化學反應，在局部產生數量可觀的特定反應產物，則可以實現一系列的生物學和病理學響應，這可能在不對正常組織產生顯著副作用的情況下，實現腫瘤特異性的治療和成像，以達到特異性的癌症防治目的。

然而，利用催化化學反應實現選擇性腫瘤診療的相關技術進步，依賴於基礎化學、材料科學、納米技術和生物醫學等多學科領域的交叉融合與技術革新，這個新興的跨學科研究有別於傳統的臨床癌症診斷模式。

上海硅酸鹽所研究團隊採用改進的自蔓延燃燒方法，成功製備出單分散的、直徑約一百納米左右的硅化鎂(Mg2Si)納米顆粒，實現了響應腫瘤的特異性微環境，大量消耗腫瘤內的氧分子，同時阻塞其中的血管系統，阻止外部氧分子和養分的供給，達到腫瘤特異性的局部飢餓治療的效果。這種納米粒子在正常組織的中性環境下穩定，無毒無害；而在腫瘤的弱酸性環境下，可以與質子反應生成硅烷（SiH4）。

這種硅烷分子極易與氧分子反應，從而大量而快速消耗氧組分；在此同時，產生的SiO2中間產物，原位堵塞血管，防止外部的氧分子和養分通過腫瘤血管系統的供給，從而抑制腫瘤生長，達到腫瘤治療效果。

最後，這些氧化硅顆粒還可以在一定時間後徹底降解，從而從根本上不存在毒副作用。相關研究成果發表於《自然納米技術》（Nature Nanotechnology, 2017, 12, 378）。

隨後，上海硅酸鹽所研究團隊又合成了一種枝狀介孔二氧化硅納米粒子作為藥物輸運系統載體，依次負載直徑2 nm的超小四氧化三鐵納米粒子和葡萄糖氧化酶，構建一種新型的納米催化劑。該納米催化劑中的葡萄糖氧化酶是一種高活性有機酶，且四氧化三鐵納米粒子是一種高效、高穩定性的Fenton反應催化劑。

該催化劑利用腫瘤細胞內旺盛的葡萄糖原料和微酸性代謝環境，連鎖地進行高效的生物酶催化反應和化學Fenton催化反應。在第一步生物酶催化反應中，葡萄糖氧化酶選擇性地催化腫瘤內的d-葡萄糖生成過氧化氫與葡萄糖內脂。過氧化氫作為下一步化學Fenton催化反應的反應物，在酸性條件下被四氧化三鐵催化生成高毒性的活性氧物種-羥基自由基。高毒性的羥基自由基可以誘導腫瘤細胞的凋亡，在實現殺死腫瘤細胞的同時，不對正常的組織和器官造成損害。

體內動物實驗結果顯示該納米催化劑具有較好的腫瘤殺傷和抑制能力，並具有良好的體內生物安全性。相關研究成果發表於《自然通訊》(Nature Communications, 2017, 8, 357）。

此外，該研究團隊利用瘤內催化反應策略，開展了外場激發下催化腫瘤的系列前沿探索工作。如利用介孔氧化硅納米顆粒作為載體，將無毒的金屬卟啉分子輸運至癌症病灶，在常規的超聲外場作用下，瘤內催化產生大量單線態氧自由基，安全高效殺滅腫瘤，相關研究成果發表於《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc.,2017, 139, 1275）。

為了更好地總結以上催化反應實現腫瘤特異性治療的研究，推動這一研究方向的進展，研究團隊在國際上首次提出「納米催化醫學（Nanocatalytic Medicine, NCM）」新概念，並對其本質和應用作了定義和討論。通過全面總結該研究團隊在納米催化醫學領域取得的重要進展，進一步薈萃了國內外相關最新研究成果和動向，提出了作者對該領域發展現狀的觀點，展望了納米催化醫學領域的潛在發展方向。這一工作有望為個性化生物醫學提供一種全新且低毒有效的癌症診療解決方案，從而為納米醫學領域的發展提供新的研究思路，將對化學、材料、生物和醫學領域的交叉研究具有重要的指導意義。

照片說明：基於納米催化劑的連鎖催化反應用於腫瘤治療示意圖。

照片說明：腫瘤微環境和外場觸發的納米粒子原位催化化學反應用於腫瘤特異性治療。

（責編：渠麗華）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！