过氧化氢酶-纤维素基气凝胶-PPIX Janus界面结构的构建及其酶促/光促协同作用机制

Photosensitizer, light and oxygen are three important elements in photodynamic therapy (PDT). However, the supply of oxygen largely depends on the oxygen content in the air, hindering its application in hypoxia tissue. The synergic effect of catalase and photosensitizer can overcome this difficulty. Nevertheless, previous research reported that singlet oxygen produced by PDT and the light itself can denaturalize catalase. In this work, we propose that bacterial cellulose/multi-wall carbon nanotubes (BC/MWCNT) composite aerogel be used as the carrier to immobilize protoporphyrin IX (PPIX) and catalase (CAT) respectively on its opposite interfaces to obtain the CAT-(BC/MWCNT)-PPIX Janus interfaces functional material, within which the barrier effect of the light and singlet oxygen by BC/MWCNT matrix to guarantee the enzyme activity. This work will investigate the basic enzymatic properties of CAT-(BC/MWCNT) under the conditions with/without light exposure as well as the presence of singlet oxygen, the singlet oxygen yield and the anti-bacterial and anti-tumor effect by (BC/MWCNT)-PPIX under different oxygen concentration, and the anti-bacterial and anti-tumor effect of CAT-(BC/MWCNT)-PPIX with different concentration of H2O2. The synergistic mechanism between enzymatic/photocatalytic effect will be clarified. The project will enrich and deepen the theory of PDT under hypoxic conditions, and lay the experimental foundation for future clinical application in the area of PDT techniques in inflammatory wounds and hypoxia tumor cells treatment.

光敏剂、光源、氧气是光动力疗法(PDT)的三个重要因素，氧气的供应过于依赖环境中的氧浓度，限制了PDT在缺氧组织中的应用，过氧化氢酶(CAT)与光敏剂协同作用有望打破这一瓶颈。然而，既往研究发现光动力产生的单线态氧或光照可能导致CAT失活。本课题提出利用细菌纤维素/多壁碳纳米管(BC/MWCNT)复合气凝胶作为固定化基材，在其两侧界面分别负载原卟啉IX (PPIX)和CAT，得到CAT-(BC/MWCNT)-PPIX Janus界面功能材料，利用载体对光源以及单线态氧的阻隔效应来保证CAT的活性。本课题拟探讨光照及单线态氧对固定化CAT的基本酶学性质、不同氧分压下固定化PPIX的光动力疗效、不同酶促底物浓度对Janus界面材料光动力疗效的影响，阐明该材料的酶促/光促协同作用机制。本项目将进一步深化低氧条件下的光动力反应理论，为PDT在深度炎性伤口及乏氧肿瘤细胞的临床治疗提供实验依据。

光动力效应在肿瘤细胞治疗以及广谱抗菌材料开发这两种应用领域被广泛研究，如何通过外在因素增强光动力效应是目前普遍关注的问题，该问题的解决可对进一步提高光动力治疗效果奠定理论基础，也为高效广谱抗菌材料的开发提供新的思路。本项目旨在通过酶促作用产氧从而为光敏剂在乏氧的条件下创造反应条件，研究内容主要包含光敏剂在纤维素基材表面的有效负载，过氧化氢酶与光敏剂在纤维素基材表面构建Janus界面，酶促/光促协同作用机制三个方面。项目首先以两种纳米纤维素为基材，分别通过还原胺化法接枝不同碳原子长度的氨基间隔臂和环氧化法接枝多胺间隔臂，最后在间隔臂上接枝光敏剂PPIX，制备出光动力抗菌纳米纤维素，并探究其光动力性能，结果表明在一定范围内间隔臂表面氨基基团数量及链段长度与光敏剂的负载量及光敏活性呈正相关关系；为进一步提高反应效率，简化接枝反应流程，选用高反应活性的三聚氯氰作为桥连剂，在细菌纤维素表面高效负载光敏剂竹红菌素，研究结果表明竹红菌素在细菌纤维素基材表面实现了有效负载，负载率达到155 nmol/mg 纤维膜，高于细菌纤维素表面接枝二胺间隔臂后的负载率（1.775 nmol/mg），且实验数据证实高负载率也为材料的耐光漂白性能提供保障；在此基础上，在细菌纤维素两侧表面利用三聚氯氰作为桥连剂分别负载过氧化氢酶与光敏剂形成Janus界面，研究酶促产氧对光敏剂光动力效应的影响，发现在水溶液中，酶促反应对光敏剂的光动力效应具有非常显著的增效作用，在空气中，酶促/光促协同效应不明显。本项目的实施，为光动力材料在不同应用条件下的增效提供了理论依据及数据支撑，也为新型光动力抗菌、抗肿瘤材料的开发提供了新的思路，为拓展光动力材料的应用奠定了基础。