Upconversion Nanoparticle-Anchored Metal–Organic Framework Nanostructures for Remote-Controlled Cancer Optogenetic Therapy

光遗传学 光子上转换 化学 癌症 癌症治疗 乳腺癌 纳米技术 光动力疗法 肿瘤微环境 纳米颗粒 癌症研究 神经科学 离子 材料科学 医学 内科学 生物 有机化学
作者
Xiaokai Chen,Xiaodong Zhang,Yang Liu,Yun Chen,Yanli Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c11196
摘要

Optogenetics, a revolutionary technique utilizing light-sensitive proteins to control cellular functions with high spatiotemporal precision, presents a promising avenue for disease treatment; however, its application in cancer therapy remains constrained by limited research. Herein, we introduce a pioneering strategy for remote-controlled optogenetic cancer therapy, synergistically merging optogenetics with ion therapy, which incorporates ion self-supply, in situ ion channel construction, and near-infrared (NIR) light-activated ion therapy, facilitating remote and noninvasive manipulation of cellular activities in deep tissues and living animals. We report the facile synthesis of water-dispersible upconversion nanoparticle (UCNP)–metal–organic framework (MOF) nanohybrids capable of effectively delivering plasmid DNA to cancer cells, thereby enabling the in situ expression of photoactivatable cation channels. The pH-responsive MOF components serve as a reservoir for metal cations, which are released in the acidic microenvironment of tumors, while the UCNP components function as remote-controlled transducers, converting near-infrared (NIR) light into visible light to activate the cation channels and allowing the cancer influx of released metal cations for ion therapy. The proposed remote-controlled cancer optogenetic therapy demonstrates its effectiveness across multiple tumor models, including subcutaneous colon tumors, subcutaneous breast tumors, and orthotopic breast tumors. This study represents a significant step toward the realization of optogenetics in clinics, with substantial potential for advancing cancer therapy.
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