近红外触发钴单原子酶激活多模态光疗，为头颈癌治疗带来新曙光

为解决肿瘤光疗临床应用受限问题，研究人员开发近红外触发多模态光疗剂 Co-SAEs/HNCS，显著抑制头颈癌生长。

　　在癌症治疗的战场上，传统的手术联合放化疗手段就像一把双刃剑，虽然能在一定程度上对抗癌症，但给患者带来的副作用也不容小觑。以头颈癌为例，全球每年新增约 60 万病例，患者 5 年生存率仅约 60%。手术治疗不仅可能导致患者咀嚼、发音和呼吸等功能终身受损，还会因头颈部神经、肌肉和骨骼的缺陷造成畸形，引发心理问题。

随着科技的发展，光疗作为一种新兴的癌症治疗方式，以其独特的时空可控性、无创性和可重复性，为癌症治疗带来了新希望。光疗主要包括光动力疗法（PDT）、光催化疗法（PCT）和光热疗法（PTT），通过产生活性氧（ROS）或局部高温来消融肿瘤。然而，目前常用的光疗剂存在诸多问题。单模态光疗中，PDT 或 PCT 的反应底物在肿瘤微环境（TME）中有限，PTT 容易因热扩散对肿瘤周围正常组织造成热损伤，且大多数可见光穿透深度不足，无法激活更深层的光疗剂。多模态集成光疗虽有进展，但复杂的纳米材料组装、光敏剂提前泄漏和高光热温度等问题，阻碍了疗效提升和患者生活质量的改善。

为了突破这些困境，北京大学口腔医学院、清华大学等机构的研究人员开展了一项创新性研究。他们成功开发出一种基于原子分散钴单原子酶（Co-SAE）负载在空心氮掺杂碳球（HNCS）上的近红外（NIR）触发的光动力 - 光催化 - 光热治疗（PDT-PCT-PTT）剂，即 Co-SAEs/HNCS，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。在材料合成与表征方面，通过逐步聚合策略制备了 Co-SAEs/HNCS，并使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X 射线光电子能谱（XPS）等多种手段对其结构和组成进行详细分析。在性能测试上，利用红外热成像仪评估光热转换效率（PCE），采用 1,3 - 二苯基异苯并呋喃（DPBF）、3,3,5,5 - 四甲基联苯胺（TMB）等作为探针检测 ROS 生成情况。同时，运用密度泛函理论（DFT）计算对 ROS 生成机制进行深入研究。在生物实验方面，构建裸鼠原位舌癌异种移植模型，通过多种细胞和动物实验评估 Co-SAEs/HNCS 的抗肿瘤效果和生物安全性。

下面来具体看看研究结果。首先是 Co-SAEs/HNCS 的合成与表征。研究人员通过一系列复杂而精细的步骤，成功制备出 Co-SAEs/HNCS。从形貌上看，它呈现出均匀的空心碳球结构，粒径约 200nm，且 Co、C 和 N 元素在其中均匀分布。进一步的分析证实，Co 以孤立的单原子形式存在，且具有 Co-N₄配位结构。

接着是 NIR 触发的光热和光动力响应。在光热性能方面，Co-SAEs/HNCS 在 NIR-I 区域有强烈吸收，随着 NIR-I 功率密度或自身浓度的增加，温度逐渐升高，其光热转换效率约为 34.2%，且经过多次加热冷却循环后仍表现出良好的稳定性。在光动力和光催化性能上，通过实验检测发现，Co-SAEs/HNCS 能够高效产生¹O₂和?OH，其¹O₂量子产率约为 0.0081，显著高于对照样品。

DFT 模拟进一步揭示了 Co-SAEs/HNCS 的反应机制。计算结果表明，Co-N₄活性中心能促进 O₂的吸附，光激发产生的光生电子能显著降低¹O₂生成的能垒，从而增强其生成效率。同时，对于?OH 的生成，Co-N₄位点能有效催化 H₂O₂分解，光生电子的存在也能加速这一过程。

细胞实验结果显示，Co-SAEs/HNCS 能被肿瘤细胞有效摄取。在 NIR 照射下，它能在细胞内产生大量 ROS，引发线粒体损伤和膜脂质过氧化，进而激活细胞凋亡和铁死亡途径。体外抗肿瘤实验表明，Co-SAEs/HNCS 在黑暗条件下生物安全性良好，经 NIR 照射后，其抗肿瘤效果呈现浓度依赖性，且热力学效应和 ROS 动态效应相互作用，产生了协同治疗效果。

体内实验也取得了令人振奋的成果。研究人员构建的裸鼠原位舌癌模型实验显示，Co-SAEs/HNCS 经局部注射并结合 NIR 照射后，能显著抑制肿瘤生长，肿瘤抑制率接近 100%，且治疗过程中裸鼠体重稳定，生存率高。治疗结束后，对肿瘤和重要器官的组织学分析表明，Co-SAEs/HNCS 具有良好的抗肿瘤性能和生物安全性。

综上所述，这项研究成功开发出的 Co-SAEs/HNCS 多模态光疗剂，在 NIR 照射下展现出增强的 ROS 动态效应。它通过多种机制协同作用，有效抑制了头颈部鳞状细胞癌的生长，同时保留了头颈部功能，提高了患者的生存率。该研究为头颈部癌的无创治疗提供了一种创新的一体化多模态概念，拓展了单原子酶在生物医学领域的应用，有望成为一种具有稳定功能、可靠疗效和广阔应用前景的光疗纳米剂。不过，目前该研究仍处于实验室阶段，未来还需要进一步开展临床试验，验证其在人体中的安全性和有效性，为头颈癌患者带来真正的临床受益。