| 導讀 |

細胞中的氧化還原平衡，是指氧化性物種和還原性物種之間的動態(tài)平衡，在大多數生理過程中發(fā)揮著至關重要的作用，尤其是細胞凋亡過程。通過提高腫瘤微環(huán)境中活性氧（ROS）的濃度，打破氧化還原穩(wěn)態(tài)，是介導癌細胞死亡，進而達到腫瘤治療目的的有效手段。目前，基于納米酶催化的一些新型化學動力治療、光動力治療方法被用于腫瘤治療領域，旨在達到腫瘤細胞中原位催化產生ROS的效果。但是，大多數對于上述治療的機理研究仍然只停留于納米酶級聯催化反應的結果，無法做到對整個治療過程的監(jiān)測。

表面增強拉曼光譜（SERS）作為一種快速、無損的測試技術，其靈敏度甚至可以達到單分子級，在監(jiān)測細胞內相關生化反應方面具有巨大潛力。將SERS技術應用于上述腫瘤的光動力治療過程的監(jiān)測，不僅能幫助進一步理解納米酶催化過程的具體機制，更能得到腫瘤微環(huán)境中氧化還原狀態(tài)的具體信息。

近日，吉林大學宋薇教授、劉卓副教授和趙冰教授團隊將一種金/碳量子點(Au@CDs)復合材料級聯納米酶用于對腫瘤細胞的光動力治療，并且采用SERS技術監(jiān)測了整個光動力治療過程中腫瘤微環(huán)境內氧化還原平衡的打破與再修復過程。

該成果以“SERS monitoring of photoinduced-enhanced oxidative stress amplifier on Au@carbon dots for tumor catalytic therapy”為題發(fā)表在Light: Science & Applications，吉林大學博士研究生李林甲為第一作者，宋薇教授、劉卓副教授和趙冰教授為論文共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金，吉林省教育廳科技研究計劃等項目的支持。

研究人員首先以CDs作為模板劑和封端劑設計構筑了一種具有級聯模擬酶活性的核殼結構Au@CDs材料，相比于單獨的金納米粒子，CDs外殼避免了Au核的聚集，并提供了致密且均勻的SERS熱點。在808 nm近紅外光激發(fā)下，Au@CDs表現出近紅外光致增強的類過氧化物（POD）酶和近紅外光誘導的類谷胱甘肽氧化酶（GSHOx）活性：

即在近紅外光照射下，表面等離子體共振（SPR）激發(fā)的大量熱載流子可以有效地參與反應，金納米粒子典型的等離子體光熱效應可以增強POD活性；另外Au@CDs介導谷胱甘肽（GSH）參與反應，加速ROS的生成，呈現出光熱增強的光動力治療效果。這種級聯納米酶催化過程將迅速打破腫瘤細胞內的氧化還原穩(wěn)態(tài)，產生大量ROS，最終導致癌細胞凋亡。

圖1 Au@CDs的級聯納米酶催化機制及其光熱增強的光動力治療腫瘤過程。

為了監(jiān)控這一催化過程，研究人員利用SERS技術，通過對四甲基聯苯胺（TMB）底物分子的氧化產物的識別，實現了對光動力治療腫瘤過程中，腫瘤微環(huán)境內活性氧動態(tài)變化過程的監(jiān)控。即在近紅外激光的輻照下，腫瘤細胞內活性氧水平會隨著Au@CDs催化反應的開始而迅速上升，在很短的時間內（3min）即達到拉曼信號的峰值，實現氧化應激損傷效果；而激光輻照結束后，腫瘤微環(huán)境則會在一個相對較長的時間（33 min）進行自修復，即過表達的GSH等還原性物質消耗過量ROS的抗氧化過程，最終腫瘤微環(huán)境回到氧化還原平衡態(tài)。

圖2 （a-c）光動力治療腫瘤過程中拉曼信號的變化及（d-e）對應的腫瘤微環(huán)境內氧化還原平衡的打破和再修復過程。

總結與展望

Au@CDs級聯納米酶與傳統(tǒng)的納米藥物和免疫治療劑相比，具有通過級聯反應中的光熱性質促進光動力治療效果的優(yōu)點，能快速提高腫瘤內ROS的濃度，打破氧化還原穩(wěn)態(tài)，進而達到腫瘤治療目的，由于過表達的GSH等還原性物質消耗過量ROS，抑制了ROS向細胞外擴散。

通過SERS策略，獲得了光動力治療過程中完整的氧化應激過程，對基于腫瘤微環(huán)境氧化應激損傷的光療機制進行了深入的研究，為腫瘤光動力治療的實時監(jiān)測提供了最有價值的機制和數據支持。

| 論文信息 |

Li, L., Yang, J., Wei, J. et al. SERS monitoring of photoinduced-enhanced oxidative stress amplifier on Au@carbon dots for tumor catalytic therapy. Light Sci Appl 11, 286 (2022).

https://doi.org/10.1186/s43593-022-00031-1

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