用于活性物种体内递送的全柔性等离子体贴片

《Advanced Science》：All-Flex Plasma Patch for In Vivo Delivery of Reactive Species

　　

可穿戴式冷大气等离子体（CAP）系统在肿瘤学领域具有应用前景，但其临床转化受到灵活性有限、皮肤接触不理想以及机制证据不足的限制。研究人员在此报道了一种全柔性等离子体贴片（AFPP），这是一种可在环境空气中运行的全可拉伸CAP平台，专为非侵入性、安全且有效的癌症治疗而设计。在皮下黑色素瘤模型中，为期一周的AFPP治疗驱动了显著的肿瘤消退，肿瘤体积仅为对照组的1/19。与刚性等离子体源相比，该装置显示出增强的活性氧和氮物种（RONS）经皮渗透能力，表明其作为一种具有优异生物相容性和最小全身负担的跨屏障递送系统的潜力。此外，研究人员识别出在过度暴露下的不良反应，并初步界定了平衡疗效与潜在副作用的安全治疗范围，突显了优化条件下的低副作用特性。利用该平台，研究人员系统地揭示了AFPP治疗调控多个此前未报道的关键蛋白，驱动代谢重编程并破坏钙稳态，通过协调多种细胞死亡模式抑制肿瘤进展。这项工作为支持安全有效的可穿戴CAP疗法的开发提供了初步机制见解，并勾勒了一个与非侵入性等离子体肿瘤学作为传统治疗补充的转化进展相关的框架。

**研究背景与问题：** 黑色素瘤是最具侵袭性和致命性的皮肤癌，具有早期转移、对放化疗抵抗及预后差等特点。现有冷大气等离子体（CAP）疗法在肿瘤抑制方面有潜力，但面临三大瓶颈：①传统等离子体源多为刚性或半柔性，无法在关节等复杂动态体表实现稳定且紧密的皮肤接触，导致放电不均匀和能量损失；②活性氧和氮物种（RONS）为CAP抗癌的关键介质，但传统等离子体射流产生的活性氧（ROS）因皮肤屏障被大量屏蔽，难以有效跨屏障递送；③CAP的抗肿瘤分子机制理解有限，主要集中在单个分子级联（如凋亡），缺乏系统层面的多通路调控证据。为此，研究人员旨在研发一种兼具柔性、可拉伸性、生物相容性与安全性的可穿戴CAP平台，并系统阐明其跨屏障递送效果及多层次分子机制。

**研究内容与结论：** 研究人员开发了全柔性等离子体贴片（AFPP），该平台基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）-医用离子导电水凝胶-PDMS三层结构，并工程化设计半圆形微槽以优化放电均匀性。在BALB/c裸鼠皮下黑色素瘤模型中，每日AFPP治疗（3.5 kV-3 min或6 min）可显著抑制肿瘤生长，肿瘤体积降至对照组的1/19。通过鸡皮跨屏障递送模型证实，AFPP能同时递送多种ROS（H₂O₂、O₂^?、O₃）和活性氮物种（RNS），较传统射流明显增强ROS穿透能力。安全性评估表明，在优化参数下（2.9 kV-6 min或3.5 kV-3 min间歇放电），皮肤温度、电流、臭氧及一氧化氮释放均处于安全范围内，仅高剂量组（3.5 kV-6 min）出现轻微血液学改变及肝、心应激性损伤。蛋白质组学与分子验证揭示，AFPP通过协同调控多个此前未报告的靶点发挥抗肿瘤效应：下调钙离子通道TRPC4以破坏Ca²⁺稳态，下调转录因子TFAP2C以解除对凋亡和铁死亡的抑制，下调代谢酶HK2和PDK1以阻断糖酵解能量供应，同时激活NLRP3炎症小体-半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1（caspase-1）通路促进IL-1β和IL-18释放，诱导细胞焦亡。这些结果勾勒出AFPP通过整合离子通道调节、代谢重编程、多种程序性细胞死亡（凋亡、焦亡、铁死亡）及炎症免疫的多通路协同抗肿瘤框架。该论文发表在《Advanced Science》，为非侵入性可穿戴等离子体肿瘤治疗提供了工程创新与机制深度的双重支撑。

**主要关键技术方法：** （不超过250字）研究人员采用以下关键技术方法：①有限元仿真（Ansoft Maxwell 3D及COMSOL Multiphysics）优化PDMS微结构几何参数（矩形、三角形、半圆形、尖端形），模拟电场分布及放电产物的时空演化；②搭建多参数诊断平台：集成高压探头与电流互感器采集电压-电流波形，光谱仪（分辨率0.03 nm）获取发射光谱，热成像仪监测皮肤界面温度；③力学性能测试：依据ASTM D412标准，采用万能试验机进行单轴拉伸和循环拉伸实验；④跨屏障RONS定量检测：以鸡皮（去皮下脂肪）为屏障模型，用化学比色法（H₂O₂、O₃、O₂^?、NO₂^?、ONOO^?）和荧光探针法（·OH）检测液相物种浓度；⑤体内动物实验：BALB/c裸鼠腋下皮下注射B16-F10黑色素瘤细胞，从肿瘤体积约40 mm3起（day 7）每日施加AFPP治疗至day 14；⑥蛋白质组学分析：采用非数据依赖性采集（DIA）质谱进行差异蛋白筛选及GO/KEGG通路富集；⑦分子验证：免疫印迹（Western blot）、免疫组化（IHC）及RT-qPCR验证关键靶点表达变化。

**研究结果：**

**2.1 Discharge Uniformity Control of AFPP via Microstructure Design** 通过有限元仿真比较四种PDMS微沟槽（矩形、三角形、半圆形、尖端形）的电场分布与放电特性。结果表明，半圆形微结构形成连续径向梯度电场，有效抑制丝状放电，改善均匀性，降低击穿电压，同时提供足够放电空间，被选为最优设计。

**2.2 Spatiotemporal Evolution Simulation of Discharge and Reactive Species Transport in Semicircular-Microstructured AFPP** 单脉冲电压下的时空模拟显示，半圆形结构在低电压下产生稳定弥散放电，并在皮肤界面维持高通量、均匀分布的RONS，其中¹O₂通量高达约9.9×10¹⁸ m^?2s^?1，为跨屏障递送和疗效提供了理论基础。

**2.3 Discharge Performance and Electrical Response Regulation of AFPP** 在电压2.3~4.1 kV范围内，AFPP在2.9~3.5 kV时呈现均匀辉光模式，电流峰值<5 mA（低于医疗安全阈值10 mA），平均功率密度仅0.086~0.111 W/cm²，具备低功耗、可重复充电电池驱动的特性。发射光谱确认N₂、N₂⁺、O自由基等信号，且强度随电压升高递增。

**2.4 Mechanical and Operational Stability Assessment of AFPP** 体现AFPP的优异力学性能：可拉伸至134%应变（断裂强度0.40 MPa），80%应变下10次循环无疲劳；在指尖、前臂、全手等不规则表面保持稳定放电。SEM和电容测试证实经720 min连续放电后表面仅发生轻微氧化老化，整体电容变化率仅0.356%，不影响介电完整性。

**2.5 Antitumor Effects of AFPP in an in Vivo Melanoma Model** 在BALB/c裸鼠皮下黑色素瘤模型中，AFPP治疗7天显著抑制肿瘤生长（尤其3.5 kV-3 min和6 min组），肿瘤体积较对照组缩小至1/19。跨屏障检测显示AFPP成功递送H₂O₂、O₂^?、O₃、NO₂^?、NO₃^?和ONOO^?，而传统射流难以实现ROS穿透。RNS浓度与肿瘤抑制强烈相关，且3.5 kV-3 min组的轻度热效应（~47.7°C瞬时）可能增强皮肤渗透性，形成“理化协同”效应。

**2.6 Safety Evaluation of AFPP Cancer Therapy** 系统评估：所有小鼠存活率100%，体重无差异。2.9 kV组皮肤温度<42°C，3.5 kV组瞬态峰值47.7°C但间歇冷却使CEM43仅4.3 min，低于热损伤阈值。仅高剂量组（3.5 kV-6 min）出现白细胞和红细胞降低，以及肝局灶性坏死和心肌萎缩（推测因RONS和电场联合效应）。气体检测显示NO和NO₂低于OSHA 8小时暴露限值，O₃仅在3 cm内超0.1 ppm但通风可稀释。UV辐射（230~400 nm）8.479 J/m²，低于国际安全阈值30 J/m²，无光毒性风险。

**2.7 Molecular Mechanisms of AFPP in Melanoma Therapy** 蛋白质组学分析显示AFPP显著重塑黑色素瘤蛋白组（3.5 kV-3 min组上调259个、下调622个差异蛋白）。分子验证表明：①下调TRPC4（破坏Ca²⁺稳态）和TFAP2C（解除对凋亡/铁死亡的转录抑制）；②下调代谢关键酶HK2和PDK1（阻断糖酵解与生存信号）；③激活NLRP3炎症小体（上调IL-1β、IL-18 mRNA），诱导焦亡。这些发现揭示了AFPP通过协同调控钙信号、代谢重编程、多种细胞死亡模式及炎症免疫的多通路机制框架。

**总结讨论部分，翻译研究结论部分：** 研究结论（"3. Conclusions"）翻译如下：在本研究中，研究人员开发并系统性验证了全柔性等离子体贴片（AFPP）。与以往仅限于一定程度的弯曲的“柔性CAP”装置不同，AFPP将PDMS与导电水凝胶集成，实现高可拉伸性、弹性回复和稳定的结构适应性，从而能够在复杂和动态的体表上实现无缝贴合。这种设计支持体内稳定附着和均匀等离子体暴露，为非侵入性、安全可穿戴的等离子体肿瘤治疗奠定了坚实的技术基础。以此平台为基础，研究人员进一步阐明了AFPP介导的肿瘤抑制的多层机制。RONS的增强跨屏障递送主要归因于安全阈值内的局部热效应，该效应显著促进了ROS的穿透，从而弥补了传统等离子体射流主要递送RNS的局限性。蛋白质组学分析进一步揭示了对多个此前未报道的分子靶点的协同调控，包括钙通道TRPC4、转录因子TFAP2C以及代谢调控因子HK2和PDK1。这些组合的分子改变驱动了代谢重编程和Ca²⁺失衡，同时激活凋亡和焦亡等程序性细胞死亡通路，从而勾勒出AFPP抗肿瘤效应的多通路框架。总之，这些发现将AFPP确立为一个分子调控平台，利用协同的电、热和RONS效应深刻重塑癌细胞生存与死亡轨迹。安全性评估进一步定义了AFPP的治疗窗口。通过将电气监测、热评估和气体分析与生物学读数相结合，研究人员系统界定了不同工作条件下的安全阈值和有效剂量范围。在优化电压和处理时长下AFPP具有良好的生物学耐受性，而过度暴露则引发不良反应。这些结果表明AFPP的安全性可能取决于电参数、热效应和RONS暴露的综合作用，而非仅由化学因素决定，突显其在优化条件下的低副作用特性。AFPP为下一代可穿戴肿瘤治疗开辟了新途径。与常规化疗或免疫治疗相比，AFPP具有非侵入性、跨屏障、局部化和成本效益的优势，同时降低了耐药性风险。其低功耗特性进一步提示其可与摩擦电或光伏能量收集模块兼容，为资源有限或紧急情况下自维持长期治疗系统铺平道路。未来工作应优化长期皮肤黏附性，建立精细的剂量模型，并探索与免疫治疗或光热疗法的联合策略。因此，AFPP不仅代表了等离子体源设计的重大进步，而且提供了一个安全且具有范式转变意义的平台，将等离子体物理学与精准肿瘤学连接起来。