Fluolab【Adv. Mater.】“214倍光信号增强！酶激活微针系统精准缓解肿瘤缺氧助力高效光动力疗法”
一、研究背景：光动力疗法的“阿喀琉斯之踵”——疏水性与缺氧
光动力疗法（Photodynamic Therapy, PDT）因其非侵入性、空间选择性和光控释放特性，广泛用于临床癌症治疗，其基本机制是：光敏剂（PS）在特定光照条件下产生单态氧（¹O₂）等活性氧（ROS），诱导细胞死亡。
但这一过程对“分子氧”和“光敏剂浓度”高度依赖，而以下两大难题长期制约其应用：
- 肿瘤缺氧（Hypoxia）：实体瘤血管结构畸形、新陈代谢旺盛，氧气供应不足，而PDT反应还进一步消耗氧气。
- 光敏剂疏水性强：多数PS结构刚性大、难以水溶，导致递送效率低、肿瘤富集差。
传统解决方案包括纳米载体包覆PS、氧释放系统、金属有机框架等手段，但这些策略存在生物安全性差、合成复杂、可降解性差等问题。
二、策略创新：“无载体酶纳米平台 + 微针贴片”组合突破
作者提出了以下全新策略：
- 载药不靠载体：直接使用酶（CAT）本身作为载体，构建“光敏剂@过氧化氢酶”纳米颗粒（PS@CAT NPs）；
- 酸激活机制：PS绑定后抑制酶活性，肿瘤微环境酸性条件触发NPs解聚 → 酶活性恢复 + 光敏剂释放；
- 微针MN贴片递送：透明质酸（HA）制备微针，穿透皮肤可控递送药物，提升局部药效、减少全身毒性；
- 双模态可视成像：荧光/光声成像同步实现肿瘤区域药物代谢与供氧情况监控。
通过该系统，光敏剂递送问题与肿瘤缺氧难题得以同时缓解，为光动力疗法开辟新途径。
三、三种PS@CAT纳米平台构建与表征
研究选用3种经典疏水光敏剂：HPPH、Ce6、ZnPc，分别构建以下纳米颗粒：
| 纳米平台 | 光敏剂 | 缩写 | 平均粒径（nm） | 包载效率（LE） | 酶含量 |
|---|---|---|---|---|---|
| HGC | HPPH | HGC | 146.7 | 22.6% | 70.2% |
| CGC | Ce6 | CGC | 123.0 | 11.4% | 59.2% |
| ZGC | ZnPc | ZGC | 140.6 | 7.7% | 89.6% |
重要特性：
- TEM显示颗粒均一、球形；
- ζ电位均为负，稳定性强；
- 酸性条件下酶活恢复，能高效分解H₂O₂，产O₂；
- 酶活性恢复后，与自由CAT基本相当，kcat在2.19×10⁴~2.37×10⁴ s⁻¹范围。
四、微针系统构建与表征：精准无痛递送平台
微针尺寸：
- 高度≈850μm，阵列10×10；
- SEM显示针头清晰、表面嵌有NPs；
- 力学测试：断裂力>2.1 N/针，满足穿皮力学要求。
透皮传输实验：
- 应用10分钟后，可穿透至真皮层300μm深；
- 采用RhB荧光模拟药物扩散，结果显示递送效率高；
- 组织染色（HE、MB）确认微孔形成；
- ZnPc在24 h时肿瘤部荧光强度达1822.8 a.u.，提示长效滞留能力强。
五、酸性激活机制验证 + 供氧增强实验
pH响应释放曲线（48小时）：
| pH | HPPH释放 | Ce6释放 | ZnPc释放 |
|---|---|---|---|
| 7.4 | <10% | <15% | <10% |
| 5.0 | ≈60% | ≈70% | ≈100% |
产O₂实验：
- 在H₂O₂ + pH 5.0环境中，三种NPs释放O₂显著增强；
- 酶活性恢复后，ROS（¹O₂）生成率提升至控制组3–4倍。
DPBF探针验证：
- 随pH降低，DPBF吸收衰减加快，表明ROS生成效率随颗粒解聚显著提高。
六、细胞水平验证：光敏增强效果可提升至3.9倍
使用乳腺癌4T1细胞模型，在激光照射（660 nm）下测试：
| 组别 | 激光+NP浓度 | 死亡率 | 提升倍数 vs PS自由组 |
|---|---|---|---|
| HGC | 1 µg/mL | >80% | 3.9×↑ |
| CGC | 10 µg/mL | >80% | 2.3×↑ |
| ZGC | 40 µg/mL | >80% | 2.8×↑ |
荧光染色结果（活/死染色PI）： 显示红色阳性细胞显著增多
Annexin V-FITC/PI流式细胞术：
- 三种CAT加载组在激光下晚期凋亡比例提升明显；
- 尤其HGC组，晚期凋亡率提升3.9倍，效果优于CAT对照组和自由PS组。
七、ROS机制深入探索：三重细胞攻击路径叠加
1️⃣ ROS检测（DCFH-DA）：
- 激光组ROS释放强度比自由PS组高出3.6–4.0倍；
- 三种NP组均实现氧供与PDT同步放大效应。
2️⃣ JC-1线粒体膜电位检测：
- 红/绿荧光比值下降至1.1以下，线粒体损伤显著；
3️⃣ BODIPY脂质过氧化染色：
- 红/绿比值降低，提示细胞膜结构遭受严重氧化攻击。
该策略通过“产ROS + 损伤线粒体 + 脂质氧化”三条通路叠加，诱导高效细胞凋亡。
八、活体成像验证：治疗窗口精确控制
双模态成像（FL/PA）：
- 荧光峰值：
| 光敏剂 | 时间 | 肿瘤部FL强度 |
|---|---|---|
| HPPH | 24 h | 15.0×10⁸ a.u. |
| Ce6 | 24 h | 20.1×10⁸ a.u. |
| ZnPc | 24 h | 3.2×10⁸ a.u. |
- 光声信号显示O₂饱和度增加，提示供氧能力增强；
- 无肿瘤组织中未见显著富集，特异性良好。
九、总结与前景展望：一体化低成本解决三大瓶颈
本研究构建的“PS@CAT NPs + 微针贴片”系统，带来了下列关键突破：
✅ 无载体、高稳定性递送
✅ 酸性激活、定向释放
✅ 214倍荧光信号增强（Ce6组）
✅ 三倍以上光动力疗效提升
✅ 微针系统实现无创精准给药
✅ 体内长时间肿瘤富集，成像窗口精准可控
未来应用场景：
- 皮肤癌、浅表肿瘤局部PDT治疗；
- 微针系统
参考文献
Li, Y.; Li, Y.; He, G.; Li, X.; Ding, R.; Yan, R.; Lin, J.; Huang, P. Activatable Enzymatic Nanoplatform Incorporated into Microneedle Patch for Relieving Tumor Hypoxia Augmented Photodynamic Therapy. Advanced Materials 2025, 2504258. https://doi.org/10.1002/adma.202504258.