近日，我校理学院陈浩教授、汪圣尧教授领衔的“先进材料与绿色催化”科研团队与国家纳米科学中心王浩教授团队合作，针对“癌症之王”胰腺癌设计了一种多肽-半导体杂化生物信号处理器(BSP)，用于胰腺肿瘤光声成像和线粒体靶向声动力治疗。相关研究成果以“A BiOCl nanodevice for pancreatic tumor imaging and mitochondria-targeted therapy”为题在Nano Today杂志在线发表。

在癌症治疗中，通过半导体纳米材料将辐射或非辐射波的能量转化为活性氧物种（ROS）从而诱导肿瘤细胞凋亡是一种有效的方法。胰腺癌细胞的氧化还原状态及其对ROS的敏感度通常与正常细胞不同。由于代谢和信号异常，胰腺癌细胞中氧化状态远高于正常细胞。线粒体作为肿瘤细胞ROS氧化应激并维持氧化还原平衡的关键，被认为是胰腺癌细胞的致命弱点。因此，有针对性地破坏肿瘤线粒体打破癌细胞氧化还原平衡，已被证明是癌症治疗的有效策略。近期，陈浩教授、汪圣尧教授领导的科研团队与王浩教授团队合作，研究设计并开发合成了一种用于胰腺肿瘤光声成像和线粒体靶向声动力治疗的纳米器件。

图1. 材料设计理念

图2. BSP的蛋白质识别能力及其胰腺癌细胞线粒体靶向功能

图3. BSP优良的在体光声成像性能

图4. BSP对胰腺癌的声动力治疗效果

半导体材料作为现代信息社会的基础材料，是各种光、声、电信号的优良接收器和转换器。在本研究中，设计合成的多肽-半导体杂化的生物信号处理器(BSP)由富含氧空位的氯氧铋半导体纳米片（OV-Bi NSs）和两种靶向肽(PTP和CRK)杂化而成，其中PTP多肽能特异性识别胰腺癌细胞(panc-1)表面的凝集素-1；而CRK肽是线粒体蛋白p32的靶向肽促进BSP与线粒体紧密结合。由于富含氧空位，BSP具有良好的近红外吸收及优良的光声成像能力，而BSP表面靶向多肽赋予了BSP识别病理环境特殊蛋白信号的能力。因此，设计的BSP同时具备了蛋白信号识别能力、光声信号反馈能力及活性氧信号输出能力，是一种能完成生物信号识别和物理信号转换的信号处理器。通过进一步的体外和体内实验研究表明，BSP纳米信号处理器集多肽分子的蛋白信号识别能力和半导体材料的物理信号转换能力为一体，能够准确的识别胰腺癌蛋白信号，靶向胰腺癌细胞线粒体，从而有效实现对胰腺癌的光声成像和声动力治疗，为胰腺癌诊疗智能器件的开发提供了新的思路。

陈浩教授、汪圣尧教授领衔的科研团队长期专注于铋系半导体纳米材料设计及应用，（Adv. Mater., 2017, 29, 1701774; Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1703923; Appl. Catal. B-Environ., 2021, 296, 120352；Appl. Catal. B-Environ., 2020, 265, 118585；Appl. Catal. B-Environ., 2019, 259, 118088；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 1867）；王浩教授团队则在功能多肽的模块化设计及合成领域有着丰富的科研经验（Sci. Adv., 2020, 6, eaaz4107；J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 7235；Nat. Commun., 2019, 10, 4861.），为本次合作研究奠定了基础。

我校博士研究生张雪豪为该文章第一作者，国家纳米科学中心硕士研究生郭若宸为共同第一作者，我校理学院陈浩教授、国家纳米科学中心王浩教授，乔增莹研究员和武汉理工大学副研究员程冬炳为该论文的共同通讯作者，我校理学院为成果第一单位。该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助。

【英文摘要】

In cancer theranostics, it is of great significance to develop a hybrid material that can recognize and regulate physical and biological signals. Herein, a hybrid Bio-Signal Processor (BSP) is constructed by a BiOCl nanosheet, a semiconductor rich in oxygen vacancies (OVs), coated with two functional peptides. The BSP is capable of protein signal recognition, photoacoustic signal feedback and reactive oxygen species (ROS) output. The OVs-rich BiOCl with abundant active sites can generate ROS under excitation state. The BSP can specifically recognize plectin-1 protein of pancreatic cancer cells and feedback photoacoustic signals for tumor imaging. After further binding p32 protein on mitochondria, the BSP output ROS signals under ultrasound that destroyed mitochondria and kill cancer cells efficiently. Therefore, the BSP provide a new perspective for the development of intelligent chip for cancer theranostics.

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013221002103