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中国海洋大学成果登JACS！高熵纳米材料+肿瘤研究，国自然创新选题思路快来学！
想必大家都知道，现在跨学科研究在科研界可是相当热门，在国自然的项目里也特别受重视。高熵纳米材料作为一种具有独特结构和物理化学性质的材料，其研究涉及材料科学、化学等多个学科领域。在催化和能源领域，它已经有了一些成果，而且前景不错。最近，它在生物医学领域，尤其是肿瘤治疗方面，也逐渐崭露头角。
咱们今天要说的这篇来自“Journal of the American Chemical Society”（IF=14.4）上题为“High Entropy 2D Layered Double Hydroxide Nanosheet Toward Cascaded Nanozyme-Initiated Chemodynamic and Immune Synergistic Therapy”的文章，就讲述了一种高熵二维层状双氢氧化物（HE-LDH）纳米平台，能够重新编程肿瘤微环境，并通过级联的纳米酶引发的化学动力学治疗和免疫协同治疗实现抗肿瘤效果。这些研究体现了跨学科的特点，对国自然相关选题很有参考价值哦。
研究背景介绍
高熵纳米材料（HEMs）是含有五种或更多金属元素的单相固态溶液，这些元素以近等摩尔浓度存在于单一亚晶格中。它们因其独特的结构和物理化学性质，在催化和能源领域受到关注。
层状双氢氧化物（LDH）是一种无机材料，具有层状结构，能够在水中形成带正电的层，可用于吸附和催化反应。
纳米酶是一类具有类似酶活性的纳米材料，能够催化特定的生物化学反应。在肿瘤治疗中，纳米酶可以模拟超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（POD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）等酶的活性，产生活性氧（ROS）。
化学动力学治疗（CDT）是一种新型肿瘤治疗方法，通过在肿瘤微环境中产生高毒性的ROS来杀死癌细胞。这种方法不依赖于氧气，因此对于缺氧的肿瘤组织也有效。
研究思路分析
01材料的合成与性质研究
①高熵层状双氢氧化物（HE-LDHs）通过共沉淀法合成，尺寸为280±10nm。TEM及相关分析表明它具有2D纳米片形态，晶格特征良好，XRD图谱与纯MgAl-LDHs匹配，AFM显示厚度为3-4 nm，EDS展示五种金属元素分布且与ICP-OES数据相符，XPS确定了表面元素的价态，包括Cu²⁺、Fe³⁺、Co³⁺和Co²⁺等，L-边吸收光谱和XAFS分析进一步确定了表面元素的价态信息，Fe和Cu在HE-LDHs中有较低价态和更强的类POD酶活性，拉曼光谱也进行了相关表征，还合成含单一功能离子的LDHs并对其进行了表征。
②通过不同pH值的缓冲液处理HE-LDHs的SEM图像观察纳米片的酸响应性分解行为。发现在中性环境中，HE-LDHs没有明显的结构变化。而在低pH值的PBS中，HE-LDHs在24小时内完全降解成不规则碎片。使用ICP-OES定量分析发现，在较低的pH值下，HE-LDHs释放的金属离子曲线表现出增强的强度，pH=5.5不同时间间隔的UV-vis光谱和流体动力学尺寸也显示其pH响应性降解能力。此外，TME中GSH过表达，分析HE-LDHs金属离子在一定浓度GSH下的价态变化，发现部分Fe³⁺、Co³⁺和Cu²⁺被还原，表明HE-LDHs可有效消耗GSH，维持肿瘤细胞内较高的H₂O₂和ROS水平。
③因TME中内源性H₂O₂不足以维持后续级联CDT（NCDT），假设HE-LDHs可模拟多种纳米酶催化O₂⁻歧化为・OH产生ROS。用NBT比色法及SOD酶检测试剂盒研究其SOD样活性，在pH=5.4时，随HE-LDHs浓度增加吸光度强度降低，Co的释放赋予其良好SOD样活性且在此pH活性最强。用多种过氧化物酶底物研究其POD样活性，酸性环境下HE-LDHs的POD样活性增强。通过ESR光谱和动力学分析确定其性能和机制，计算出Vmax和Km，表明对H₂O₂有高亲和力和较强POD酶活性。同时，HE-LDHs还能通过GPX样活性消耗GSH，增强NCDT效果，尤其在pH=5.4时效率最高。综上，HE-LDHs在模拟肿瘤微环境中展现出持久的多酶样活性，对NCDT型肿瘤治疗具有潜力。
④使用VASP软件包进行了全面的密度泛函理论（DFT）理论计算，以研究HE-LDHs的多酶样活性。计算结果显示，所建立的理论模型具有结构稳定性，且形成能与常规LDHs相当，表明不同金属元素之间的强相互作用。此外，多种金属离子的混合排列导致电子重新分布，进一步增强了催化活性。DFT计算揭示了相关反应机制的热力学过程，包括SOD样和POD样酶催化过程。计算结果表明，HE-LDHs模型能有效促进O2-•到•OH的转换，实现级联纳米酶催化过程。
02体外细胞实验研究
①进一步探究HE-LDHs在体外的协同抗肿瘤性能。通过CCK-8实验发现HE-LDHs对RAW264.7细胞无显著毒性，但对4T1细胞具有较强的杀伤能力，尤其是在模拟TME的条件下。此外，HE-LDHs在pH=6.4时对4T1细胞表现出最强的杀伤活性。流式细胞术分析显示，HE-LDHs在pH=6.4时能显著诱导4T1细胞凋亡。DCFH-DA探针和O26探针的结果表明，HE-LDHs能在细胞内催化产生大量•OH。
②研究还发现，HE-LDHs的GPX样活性能有效消耗细胞内的GSH，增强NCDT的治疗效果。HE-LDHs产生的过量ROS导致线粒体损伤，改变线粒体膜的通透性，导致线粒体DNA释放，进而引发细胞死亡。RT-qPCR结果显示，HE-LDHs处理能显著提高cGAS靶基因（包括IFNB1和ISG56）的表达，激活cGAS/STING信号通路，增强与STING信号相关的蛋白表达，从而促进I型干扰素的产生，抑制肿瘤进展。
03体内实验研究
①通过将4T1癌细胞接种到小鼠腿部来建立异种移植瘤模型，并研究了HE-LDHs的体内分布和抗肿瘤效果。结果显示HE-LDHs主要在肿瘤部位积累，并在超过24小时后转移到肝脏和脾脏。HE-LDHs在肿瘤治疗中显示出良好的效果，能够显著抑制肿瘤生长，且对小鼠体重无明显影响。治疗后的小鼠血液分析和器官染色显示HE-LDHs具有良好的生物相容性。
②此外，HE-LDHs能够激活cGAS/STING途径，增强抗肿瘤免疫反应，提高细胞因子分泌，并促进DCs对肿瘤细胞的攻击。在肿瘤组织中，HE-LDHs组中CD4+ Th细胞和CD8+ CTLs的浸润率最高，而Treg细胞的浸润率最低，表明HE-LDHs能增强抗原呈递和扩增抗原特异性的细胞毒性T淋巴细胞。HE-LDHs处理还导致肿瘤细胞核萎缩、坏死区域增大，有效抑制肿瘤细胞增殖。表明，HE-LDHs通过激活免疫反应和增强NCDT效果，在肿瘤治疗中具有潜力。
图1. HE-LDHs的表征
图2. 在模拟肿瘤微环境中HE-LDHs的降解行为
图3. HE-LDHs模拟SOD、POD和GPX催化活性的体外评估
图4. HE-LDHs的细胞毒性和ROS生成特性
图5. HE-LDHs体内抗肿瘤活性
图6. 方案一
图7. Abstract
结论与讨论
本研究成功开发了一种新型多功能HE-LDHs纳米平台，用于NCDT和免疫疗法。HE-LDHs在模拟肿瘤微环境中展现出优异的多酶样活性，能有效产生ROS，触发线粒体凋亡介导的肿瘤细胞死亡，并激活cGAS/STING途径，增强抗肿瘤免疫反应。研究结果表明，HE-LDHs在肿瘤治疗中具有显著的疗效和潜力。
尽管HE-LDHs展现出良好的治疗效果和生物相容性，但未来的研究需要进一步探索其在不同肿瘤模型中的适用性，以及长期疗效和安全性。
应用
对于国自然选题方向，以下几点可供参考：
⩥基于高熵纳米材料的其他生物医学应用研究，例如在心血管疾病、神经退行性疾病等方面的应用探索。
⩥深入研究高熵LDH纳米材料与肿瘤微环境中其他成分（如细胞外基质、血管内皮细胞等）的相互作用机制。
⩥开发基于高熵LDH纳米材料的新型免疫治疗策略，如联合其他免疫调节剂或细胞治疗方法。