自充电盐水电池用于抗肿瘤治疗
自充电盐水电池用于抗肿瘤治疗
癌症是全球主要的死亡和残疾原因，具有快速增长、易复发和高转移率的特点。尽管已有多种抗癌治疗方法，包括传统的手术、化疗、放疗以及新兴的纳米颗粒治疗和免疫治疗，但这些方法仍存在局限性，如全身毒性和低客观缓解率等问题。局部治疗方法，尤其是可植入药物递送系统，因其能直接作用于肿瘤并最小化全身副作用而受到关注。
研究者设计了一种可植入的自充电电池，能够持续调节肿瘤微环境中的氧气、pH值和活性氧（ROS）水平。该电池可在14天内保持肿瘤内部的低氧状态，并产生ROS以预防肿瘤形成。在与缺氧激活前药（如替拉扎明）联合使用时，显示出超过90%的抗肿瘤率。所用材料生物相容性良好，电池形状和大小可调，适合包裹肿瘤。
自充电电池用于肿瘤治疗的原理
图1. 自充电电池用于肿瘤治疗的原理。(A) 在放电模式下，电池的正极材料能够有效减少氧气，从而产生ROS（活性氧）和羟基离子。随着氧气的持续消耗，可以形成持续的低氧环境，这能够充分利用HAPs（高能活性粒子）来杀死肿瘤细胞。(B) 自充电电池结构示意图。(C) 展示了不同的电池小型化方法，包括层状电池（版本1）、凝胶电池（版本2）和纤维电池。
氧气清除机制及其特征
图2. 氧气清除机制及其特征。 (A) 电化学放电/自充电循环的演示。(B) 在1 M ZnSO4电解液中PNTCDA的CV曲线，扫描速率为1 mV s−1。对电极是锌箔，参比电极是Ag/AgCl。(C) PNTCDA‖Zn电池的化学充电（不同自充电4次）和电化学放电曲线（放电电流密度为1 A g−1）随时间变化。电池包含PNTCDA正极、锌负极和1 M ZnSO4电解液。(D) 在生物相容性生理盐水溶液中，在空气气氛下4个PNTCDA‖Zn电池的电化学放电曲线（放电电流密度为1 A g−1）和自充电曲线。(E) 不同电化学放电/化学充电循环后的化学充电（自充电）曲线比较。插图：正常生理盐水电解液和ZnSO4电解液中PNTCDA化学充电行为的比较。(F) 在空气气氛下，电流密度分别为50 mA g−1（蓝线）和300 mA g−1（红线）时，4个PNTCDA‖Zn电池在正常生理盐水电解液中的放电曲线随放电时间的变化。(G) 在空气气氛下，以50 mA g−1电流密度工作时，PNTCDA电极通过pH指示剂（酚酞）实现的可视氧气清除。(H) 在Ar气氛下，电流密度为1.5 A g−1时，电化学放电/充电过程中电解液的颜色变化。工作电极，PNTCDA；对电极，活性炭；参比电极，Ag/AgCl。(I) 在线监测营养液中溶解氧含量的设备。(J) 溶解氧含量的变化趋势。
自充电电池调节了体外肿瘤微环境
图3. 自充电电池调节了体外肿瘤微环境。(A) 使用自充电电池进行体外调节肿瘤微环境的示意图。(B) 细胞内缺氧条件的荧光图像。(C) 用五组处理后的4T1细胞的存活与死亡染色图像。(D) 细胞内pH变化的荧光图像。(E) 细胞内ROS生成的荧光图像。(F) 对应于(B)的定量荧光(FL)强度。(G) 不同处理下4T1细胞的相对细胞活力(n=3)。(H) 对应于(D)的定量荧光强度。(I) 对应于(E)的定量荧光强度。Ctr，对照；RDPP，[Ru(dpp)3]Cl2；n.s.，不显著。 ***P<0.001。比例尺，200 μm。
自充电电池通过在整个治疗周期内维持肿瘤缺氧来增强抗肿瘤疗法
图4. 自充电电池通过在整个治疗周期内维持肿瘤缺氧来增强抗肿瘤疗法。(A) 自充电电池在抑制肿瘤生长研究中的治疗过程示意图。如必要，TPZ在第1天和第7天以20 mg kg−1的剂量静脉注射(i.v.)。(B) 第1天各组中HIF-1α的免疫荧光染色图像。比例尺，100 μm。(C) 不同处理后从小鼠收集的肿瘤组织的ROS染色图像。比例尺，100 μm。(D) 不同处理后从小鼠收集的肿瘤组织的HE染色图像。比例尺，200 μm。(E和F) 对照组和电池2组的光声成像(E)及其肿瘤内血红蛋白结合sO的定量结果(F)。(G和H) 对照组和电池组在第7天和第14天的HIF-1α染色图像(G)及其相应的荧光强度(H)。比例尺，100 μm。(I) 不同处理后肿瘤体积的变化(n = 5)。(J) 五组中第14天的平均肿瘤重量(n = 5)。(K) 自充电电池与HAPs之间协同效应的示意图。(L) 防止肿瘤形成治疗过程的示意图。(M) 对照组(生理盐水)和电池组小鼠的肿瘤体积每日变化曲线(n = 6)。(N) 两组中第14天小鼠的平均肿瘤重量(n = 6)。 *P < 0.001 和 P < 0.01。
研究结论
总之，我们设计了一种可植入的水性自充电PNTCDA‖Zn电池，它可以创造肿瘤缺氧环境以激活基于缺氧的抗肿瘤治疗。与其他创造缺氧环境的方法相比，这种可植入电池的最大优势在于通过一次性植入就能够长时间（一个疗程，14天）维持持续的肿瘤缺氧环境。先前方法如脱氧剂和耗氧光动力疗法（PDT）和声动力疗法（SDT）所创造的缺氧是间歇性的。脱氧剂的短保留时间需要重复给药，而PDT和SDT的连续刺激会对正常组织造成损伤，这些缺点会降低药物效力，甚至引发生物安全性问题。在这项工作中，电池的聚酰亚胺电极材料在可逆的电化学放电/自充电循环过程中可以持续消耗氧气，并能在体内维持至少14天的肿瘤缺氧环境。同时，在与TPZ联合治疗后实现了竞争性的治疗效果。在4T1肿瘤模型中，80%的小鼠肿瘤消失，平均肿瘤体积减少了90%。此外，电池通过在电池内氧气还原过程中产生ROS，实现了100%的肿瘤发生预防。另外，电池组件具有生物相容性，这最小化了电池植入带来的伤害。而且，电池中有丰富的氧化还原化学反应可以用于电池系统中，这些系统在开发其他治疗设备方面具有巨大潜力，例如电化学发光、可穿戴设备、介入治疗、炎症微环境调节和电神经刺激。