自充电盐水电池用于实体瘤治疗
研究背景
电池的本质是正负极和电解液界面的电化学反应，通常应用于能量的转化和存储。那么作为一个拥有丰富电化学反应的平台，电池是否可以具有更广泛的应用？近日，利用氧气在电池反应中的重要作用，复旦大学化学系夏永姚教授团队、张凡教授团队合作设计了可植入的自充电盐水电池用于肿瘤微环境的长效乏氧调控和抗肿瘤研究，为肿瘤抑制和调控肿瘤微环境提供了一种潜在的途径。 研究成果以“a self-charging salt water battery for antitumor therapy”为题发表于science advances。本文第一作者为复旦大学化学系博士后黄健航(现为浙江师范大学特聘教授)和博士生于朋，通讯作者为复旦大学化学系夏永姚教授和张凡教授。
研究亮点
设计了以生理盐水为电解液的生物相容性自充电电池，展现出色的实体瘤治疗效果。 生理盐水中优异的放电/自充电循环稳定性。
采用酚酞为指示剂，可视化质子存储/释放过程。
图文导读
图1. 自充电盐水电池用于肿瘤治疗的基本原理.
(a)自充电电池抑制实体瘤的机制，(b)电池结构，(c)电池的不同小型化策略。
▲设计的可植入盐水电池正极在自充电过程中消耗氧气，该过程中产生活性氧(ros)以及造成乏氧环境，结合乏氧激活前药(haps)，展现出优异的肿瘤治疗效果。另外，设计了多种不同结构的电池(图1c)，层状电池的制备工艺简单，同时具有较好的可塑性，被选择用来验证电池的抗肿瘤性能。
图2. 自充电盐水电池耗氧过程的氧化还原机理及表征.
(a)放电/自充电反应及过程示意图，(b)电池在硫酸锌溶液中的cv图，(c)电池在硫酸锌溶液中的自充电曲线，(d) 在生理盐水中的放电/自充电曲线，(e)在生理盐水中的循环稳定性，及和在硫酸锌中的对比，(f)不同电流下电池的放电曲线，及耗氧能力, (g) 在空气环境中(氧存在下)的可视化耗氧过程，(h)氮气保护下质子的存储/释放过程，(i)溶解氧的测定装置示意图，(j)溶解氧的含量变化曲线。
▲电池的正极为聚1,4,5,8-萘四甲酸酐(pntcda)，是一种聚酰亚胺，具有良好的生物兼容性，负极为锌金属。电池在放电过程中，含有碳基的pntcda被还原为酚羟基化合物pntcda-h；pntcda-h容易被氧化回pntcda，同时氧气被还原，该过程即为化学自充电过程。在氧气的参与下，电池的放电/自充电过程能够不断循环(图2a)。由于pntcda在电化学还原/化学氧化循环过程中只涉及质子和少量其他离子(如锌离子或钠离子)的存储/释放，不会破坏有机物骨架，因此放电/自充电循环过程稳定性高。相对于传统的硫酸锌电解液，pntcda‖zn电池在生理盐水电解液中的自充电过程更快，展现出更优异的耗氧能力(图2c,d,e)。由于放电过程中氧气的不断自充电，电池可以持续放电>500 h(图2f)，达到持续耗氧的作用。pntcda的充放电机制主要涉及质子的存储和释放，因此，在生理盐水电解液中，质子的存储(电化学放电过程)导致电极周围电解液ph值得升高，而质子得释放过程(电化学充电过程)使ph回复中性，因此该ph的变化可以用酚酞指示剂来进行可视化监测：无氧环境中，放电过程中电极周围电解液变红，表面ph上升，充电过程中又变回无色，表明ph下降(图2h)。而在有氧环境中持续放电时，由于氧气不断被还原，电解液的ph持续升高，因此电解液会持续变红(图2g)。
图3. 自充电盐水电池维持肿瘤长期缺氧以增效抗肿瘤治疗.
(a)体内抗肿瘤实验流程图，(b)植入电池一天后肿瘤组织的乏氧染色，(c)肿瘤组织ros染色，(d) 肿瘤组织h&e染色，(e) 瘤内血红蛋白结合氧饱和度在对照组及电池植入不同时间后的光声图像，及(f)相应的定量统计结果, (g) 植入电池7天和14天后肿瘤组织的乏氧染色，及其(h)荧光强度定量统计结果，(i)不同组的肿瘤体积变化，(j) 不同组的肿瘤质量变化，(k) 自充电电池联合tpz治疗的机理示意图，(l) 体内肿瘤预防实验流程图，(m)肿瘤的体积变化，(n)第14天时对照组及电池组的肿瘤质量。
▲最后开展了体内抗肿瘤实验。由于盐水电池的形态可塑性，该盐水电池可以皮下植入到4t1肿瘤表面，荷瘤小鼠瘤内血红蛋白结合氧饱和度(so2)在植入14天后下降至1.9%。结合乏氧激活前药，80%的荷瘤小鼠肿瘤完全消失，整体肿瘤抑制率超过90%，且单独的盐水电池可通过产生ros实现约74%的肿瘤抑制率和100%的预防肿瘤生成率。治疗过程中小鼠的体重、电池接触的皮肤及正常脏器均无异常变化，表明电池具有较好的生物相容性和安全性。
研究结论
该工作设计了具有长循环稳定性的pntcda‖zn自充电电池，在生理盐水中展现出优异的循环性能。该盐水电池的正极氧化还原过程中产生的活性氧(ros)可直接杀伤肿瘤细胞，显示出100%的预防肿瘤生成率；同时，氧气在放电/自充电循环中被持续消耗，从而维持肿瘤长期(≥14天)且充分的乏氧微环境(氧含量90%。电化学电池中的氧化还原反应为肿瘤抑制和调控肿瘤微环境提供了一种潜在的途径，同时，该工作也为电池这个拥有丰富电化学反应的平台，提供了更广阔的应用方向。
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(a)放电/自充电反应及过程示意图，(b)电池在硫酸锌溶液中的cv图，(c)电池在硫酸锌溶液中的自充电曲线，(d) 在生理盐水中的放电/自充电曲线，(e)在生理盐水中的循环稳定性，及和在硫酸锌中的对比，(f)不同电流下电池的放电曲线，及耗氧能力, (g) 在空气环境中(氧存在下)的可视化耗氧过程，(h)氮气保护下质子的存储/释放过程，(i)溶解氧的测定装置示意图，(j)溶解氧的含量变化曲线。
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