闭环级联纳米酶策略：实现催化与温和光热治疗的协同增效

《Journal of Nanobiotechnology》：Closed-loop cascade nanozyme strategy for mutually reinforced catalytic and mild-temperature photothermal therapeutic effects

为解决纳米催化与光热治疗联合应用时面临的肿瘤底物浓度低、氧化还原干扰及正常组织过热风险等问题，研究人员开展了闭环纳米酶策略研究。结果显示该策略实现了光声成像引导下的催化与温和光热协同治疗，为个性化医疗带来新希望。

　　在肿瘤治疗的战场上，传统治疗手段往往面临诸多困境。手术切除可能无法彻底清除癌细胞，放化疗在杀死癌细胞的同时，也会对正常组织造成严重损伤。近年来，纳米技术的兴起为肿瘤治疗带来了新的曙光，其中纳米催化与光热治疗联合应用备受关注。然而，这一组合在实际应用中却遭遇了不少难题。肿瘤微环境中底物浓度低，使得纳米酶的催化效率大打折扣；同时，高浓度的谷胱甘肽（GSH）会干扰氧化还原反应，影响治疗效果。此外，传统光热治疗容易导致正常组织过热，产生副作用。为了突破这些瓶颈，山西医科大学的研究人员展开了一项具有开创性的研究。

研究人员提出了一种创新的闭环级联纳米酶策略，旨在实现催化与温和光热治疗（mPTT）的协同增效。他们合成了一种叶酸功能化的铁单原子催化剂（FeNC-FA），该催化剂具备多种酶的活性，能够在肿瘤微环境中诱导活性氧（ROS）爆发，消耗谷胱甘肽（GSH），引发铁死亡（一种细胞程序性死亡方式）。同时，FeNC-FA 还具有良好的光热性能，在近红外光照射下，能够将光能转化为热能，实现温和光热治疗。

研究人员运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，通过热解 ZIF-8 封装铁前驱体（Fe@ZIF-8）制备出 FeNC，再对其进行叶酸修饰得到 FeNC-FA。利用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散 X 射线光谱（EDS）等多种表征手段对材料的形貌、结构和成分进行分析。采用细胞实验，如 Cell Counting Kit-8（CCK-8）法检测细胞毒性，用特定探针检测细胞内 ROS、O?和 GSH 水平变化。在动物实验中，对荷瘤小鼠进行光声（PA）成像和光热成像，评估 FeNC-FA 在体内的分布和治疗效果。

1. FeNC-FA 的合成与表征

研究人员详细阐述了 FeNC-FA 的合成过程。通过自组装和热解反应，成功制备出 FeNC，并对其进行叶酸修饰。TEM 和 SEM 图像显示，FeNC 呈菱形十二面体形态。EDS 分析表明，Fe、C、N 在 FeNC 中均匀分布。HAADF-STEM 图像证实了铁原子以单原子形式分散在材料中。XRD 分析显示，FeNC 中无金属铁结晶峰，存在非晶石墨碳的特征峰。拉曼光谱表明，Fe 掺杂增加了材料的缺陷位点。XPS 光谱揭示了 FeNC 中存在多种氮物种及 Fe-N 配位。

2. FeNC 的多酶模拟活性

实验表明，FeNC 具有显著的过氧化物酶（POD）、氧化酶（OXD）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽氧化酶（GSHOx）模拟活性。以 TMB 为底物的实验证明了其 POD 和 OXD 活性，且催化动力学参数优于其他催化剂。FeNC 在 H?O?存在下能产生大量氧气，体现了其 CAT 活性。同时，FeNC 可消耗 GSH，展示了 GSHOx 活性，并且这些酶活性具有良好的稳定性。

3. FeNC-FA 的体外抗癌效果及潜在机制

将叶酸修饰到 FeNC 上，赋予了其癌细胞靶向能力。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察发现，FeNC-FA 能被 4T1 细胞高效摄取。CCK-8 实验表明，FeNC-FA 对 4T1 细胞具有显著抑制作用，且在 H?O?和近红外光（NIR）协同作用下，细胞杀伤能力更强。通过多种探针检测发现，FeNC-FA 可增加细胞内 ROS 水平，消耗 GSH，导致谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPX4）失活，引发铁死亡。同时，FeNC-FA 还能下调热休克蛋白 70（HSP70）的表达，增强 mPTT 效果。

4. FeNC-FA 的体内 PA 和光热成像

在荷瘤小鼠体内，FeNC-FA 的 PA 信号在肿瘤部位呈现时间依赖性增强，静脉注射 6 小时后达到最大值，随后逐渐下降，表明其能优先在肿瘤组织积累。红外热成像显示，注射 FeNC-FA 的小鼠肿瘤部位在近红外光照射下温度显著升高，可达到约 43℃，实现了所需的 mPTT。

5. FeNC-FA 的生物安全性评价

血清生化分析和溶血实验表明，FeNC-FA 对肝功能、肾功能指标及血常规指标无显著影响，具有良好的生物相容性和血液相容性，在体内不会产生明显的毒副作用。

6. FeNC-FA 的体内治疗评估

在荷瘤小鼠实验中，FeNC-FA 联合 NIR 激光照射对肿瘤生长的抑制效果最为显著，肿瘤重量明显减小，小鼠生存期显著延长。组织学染色结果显示，该治疗组肿瘤组织损伤严重，且主要器官未出现明显损伤，进一步证明了 FeNC-FA 的抗癌有效性和生物安全性。

研究结论和讨论部分指出，FeNC-FA 作为一种具有多种酶活性的纳米酶，在肿瘤治疗中展现出巨大的潜力。它不仅能够通过催化反应诱导铁死亡，还能借助光热效应实现 mPTT，两者相互增强，形成了一个闭环级联的治疗体系。同时，FeNC-FA 的光声成像能力为治疗过程提供了实时监测，实现了精准治疗。该研究为肿瘤治疗开辟了新的途径，有望推动个性化医疗的发展。不过，研究人员也指出，虽然 FeNC-FA 表现出优异的性能，但仍有改进空间，如通过双原子掺杂进一步提高其催化活性。未来，这一领域的研究有望为癌症患者带来更多有效的治疗方案。