第一作者：Zhaowei Chen，Hongjun Li 通讯作者：Zhen Gu 第一单位：Zhejiang University DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-021-00910-7背景介绍 过渡金属介导的生物正交反应通过非自然过程原位合成生物活性剂，使生物分子的选择性标记成为可能。然而，由于金属的安全问题和催化剂的应用程序复杂等原因，生物正交催化在体内的应用仍然具有挑战性。本文亮点 1. 本文描述了一种生物正交催化装置，包括一个微针阵列贴片与Pd纳米颗粒沉积在TiO2纳米片上。 2. 该装置坚固且可拆卸，可以在高水平的生物系统中调节笼底物的局部转换到其活性状态。 3. 作者发现这种贴片可以促进皮下肿瘤部位的前药激活，恢复其母药的治疗性抗癌特性。 4. 这种原位应用装置增强了局部治疗效果，消除了健康器官或远端组织中脱靶前药激活和剂量依赖性副作用。图文解析 催化活性微针贴片的制备。 作者探索了使用微针阵列贴片来开发一种简单而坚固的装置，用于催化体外和体内的生物正交化学(图1a)。首先制备了超薄TiO2(B)纳米片(TNSs)，并将其用作沉积Pd催化剂的载体。图1b为获得的TNSs的代表性透射电镜(TEM)图像，TNSs由于表面张力而起皱。将平均粒径为~8 nm的Pd纳米粒子光沉积在TNS表面(图1c)。通过元素映射分析，揭示了Pd、Ti和O在纳米复合材料中的分布(图1d)。傅里叶变换的EXAFS(图1e)进一步证实了Pd-TNSs中强Pd-Pd键合的存在。通过催化裂解笼基释放罗丹明110 (RH 110)后，同时含有Pd-TNSs和底物的溶液的绿色荧光逐渐增加(图1 f, g)。 图1 微针贴片的设计及Pd-TiO2纳米填料的表征 贴片介导的生物正交催化。 以PVA为材料，以Pd-TNSs (~6.25wt%)为纳米填料，制备了PVA微针阵列贴片(PT-MNs)，制备了一种易于展开生物正交催化的装置。 图2 表征PT-MNs 接下来，作者研究了PT-MNs在细胞外环境中介导生物正交催化的能力。流式细胞术显示(图3a)，整个细胞群体的荧光随时间增加；没有PT-MNs或alloc-RH 110的对照组，没有荧光产生(图3b,c)。与流式细胞术结果一致，共聚焦激光显微镜使我们可以看到PT-MN和alloc-RH 110组合处理的细胞内绿色荧光逐渐增加(图3d，e)，但对照组未见明显的荧光(图3f-i)。这些结果表明，PT-MNs能生物正交催化细胞外介质中alloc-RH 110的释放，释放的荧光团扩散到整个细胞群体中。 图3 细胞培养中PT-MNs介导的生物正交催化作用 贴片介导的前药体外激活。 上述结果鼓励作者使用PT-MNs的前药激活来治疗癌症。与癌症组织中代谢或生理异常激活的可降解前药相比，通过生物正交催化激活的前药将提供另一种治疗模式。在这里，作者合成了alloco-Dox作为一种生物正交前药。与游离的DOX相比，alloco-DOX的抗增殖活性明显降低(图4c)，其毒性随浓度的增加而升高。 图4 PT-MN介导的前药体外激活 贴片介导的前药激活在体内用于癌症治疗。 采用B16-F10小鼠黑色素瘤作为皮下肿瘤模型进行抗癌研究。通过轻轻地将贴片压在黑色素瘤肿瘤部位的皮肤上，微针可以完全穿透皮肤并插入其中。记录生物发光成像和肿瘤体积，以观察肿瘤生长情况并评估治疗效果(图5a)。如图5a-c所示，与PBS处理的对照组一样，单独使用alloco-Dox或PT-MNs的组没有观察到肿瘤生长的延迟，这表明前药和催化装置都没有单独的抗肿瘤作用。各组小鼠均未观察到明显的体重波动(图5d)，说明前药和PT-MN装置的副作用较小。重要的是，TUNEL检测仅证实了alloc-DOX/PT-MNs和DOX处理组的凋亡信号，暗示了类似的肿瘤细胞杀伤机制(图5e)。 图5 PT-MNs介导的前药体外激活 为了进一步了解这些治疗结果，作者分析了血浆和主要器官中药物/前药浓度与时间的关系。如图6a-g所示，在单独使用alloc-DOX治疗组的所有组织中几乎没有检测到DOX，这表明前药对高水平生物代谢过程的非特异性激活具有稳定性。 图6 不同治疗后，药物和前药物浓度与时间和组织中Pd含量的关系 原文链接： https://www.nature.com/articles/s41565-021-00910-7作者介绍 顾臻 顾臻，浙江大学求是讲席教授、药学院院长。本科、硕士毕业于南京大学化学系及高分子科学与工程系；2010年于加州大学洛杉矶分校（UCLA）获得工学博士学位；同年博士后获聘于麻省理工学院化工系/Koch癌症综合研究院、哈佛大学医学院，师从Robert Langer教授。2012-2018年任教于北卡罗莱纳大学教堂山分校/北卡州立大学联合生物医学工程系，领导药剂工程学科建设，并创建了 ＂创新转化学位＂，以促进生物医药技术产业化人才的培养，2018年获评Jackson Family杰出讲席教授。2018-2020年任UCLA生物工程系正教授，并任生物技术/生物医学与工程培训中心主任。2020年9月全职受聘于浙江大学。其指导的＂iMedication-智能医药实验室＂研究方向包括蛋白质递药系统、生理响应材料、免疫治疗制剂、细胞治疗策略等。目前已发表学术论文200余篇，授权公司专利100余项。顾臻教授曾获＂斯隆研究奖＂、英国皇家化学会Felix Franks奖章、国际药物控释学会（CRS）＂青年学者奖＂、Small青年科学家创新奖、美国糖尿病学会（ADA） ＂Pathway＂研究奖、美国生物医学工程学会（BMES）＂细胞/分子生物工程创新者奖＂等。《麻省理工科技评论》曾将其评为＂TR35世界杰出创新家＂。2019年当选美国医学与生物工程院会士。其课题组首次报道了血糖响应＂智能胰岛素贴片＂的原型，提出了闭路透皮递药系统的新概念，率先利用血小板的靶向性及脂肪细胞的代谢通路递送抗癌药物，并系统拓展了微针的生物医用创制，相关技术正在临床转化。顾臻教授目前担任《Science Advances》及《Nano Research》副主编，并任CRS中国代表。 实验室主页： http://imedicationlab.net/