单原子掺杂压电催化剂：开启肿瘤治疗无铜铜死亡新时代

本文研发出二维铁（Fe）单原子掺杂二硫化钼（Fe-MoS2）压电催化剂用于肿瘤治疗。在超声刺激下，其通过协同压电催化和酶催化作用产生活性氧物种（ROS）、消耗谷胱甘肽（GSH），诱导无铜铜死亡，还触发铁死亡和铁蛋白自噬，显著抑制肿瘤生长，为肿瘤治疗提供新策略。

　　### 研究背景
铜（Cu）是人体生理过程必需的微量元素，其稳态失衡会引发细胞损伤和铜死亡。铜死亡是一种铜依赖的程序性细胞死亡方式，在肿瘤进展中通常受到抑制，激活肿瘤细胞的铜死亡是抑制肿瘤生长的有前景策略。纳米技术在生物医学领域取得显著进展，已有研究利用纳米材料触发铜死亡用于癌症治疗，但目前诱导铜死亡的纳米系统主要依赖外源性有毒铜离子，限制了生物材料的应用。压电催化疗法是新兴的疾病治疗方法，掺杂单原子可增强压电催化剂的性能，基于此，本研究开发了具有多功能催化活性的二维 Fe 单原子掺杂 MoS₂（Fe-MoS₂）压电催化剂，用于通过无铜铜死亡实现有效的肿瘤治疗。

Fe-MoS₂压电催化剂的合成与表征

通过水热法合成 MoS₂，再经浸渍 - 煅烧法制备 Fe-MoS₂。透射电子显微镜（TEM）等表征显示，二者均呈典型二维形态，Fe 成功掺杂且分布均匀，Fe-MoS₂厚度约 3nm，Fe 掺杂量为 0.45 原子 %。X 射线光电子能谱（XPS）等分析表明，Fe 掺杂使 MoS₂的费米能级向导带最小值移动，改变了其电子结构。球差校正 TEM 及同步辐射 X 射线吸收近边结构（XANES）等技术确认了 Fe 原子的高度分散及其氧化态和配位环境，电子自旋共振（ESR）光谱证实 Fe 掺杂促进了硫空位的形成。对 Fe-MoS₂进行表面聚乙二醇化（PEGylation）修饰，动态光散射（DLS）测量显示其在生理条件下稳定性良好，表面电位更接近中性，表明修饰成功。

Fe-MoS₂的压电催化性能和类酶活性

利用压电响应力显微镜评估压电性能，发现 Fe-MoS₂具有显著压电性，其压电系数（d₃₃）比 MoS₂高 1.5 倍。以 1,3 - 二苯基异苯并呋喃（DPBF）为指示剂，在低频超声照射下，Fe-MoS₂产生单线态氧（¹O₂）的效率更高，电子自旋共振（ESR）光谱也验证了这一点。Fe-MoS₂具有类过氧化氢酶（CAT）、类氧化酶（OXD）、类过氧化物酶（POD）和类谷胱甘肽氧化酶（GSHOx）等多种类酶活性。通过测量氧气生成评估类 CAT 活性，结果表明其活性随 H₂O₂和 Fe-MoS₂浓度增加而增强。以 3,3′,5,5′ - 四甲基联苯胺（TMB）为底物评估类 OXD 活性，发现其活性呈浓度依赖性，ESR 光谱检测到超氧阴离子（O₂^•?）生成。在肿瘤组织高 H₂O₂浓度环境下，通过监测亚甲基蓝（MB）降解评估类 POD 活性，结果显示酸性条件和超声照射可增强该活性，ESR 光谱检测到羟基自由基（?OH）生成。利用 5,5′ - 二硫代双（2 - 硝基苯甲酸）（DTNB）评估类 GSHOx 活性，发现 Fe-MoS₂能有效消耗谷胱甘肽（GSH），且超声照射可增强该能力。通过计算能带结构等，揭示了 Fe-MoS₂压电催化活性的机制，Fe 掺杂减小了带隙，促进了电子 - 空穴分离，超声照射使电荷定向迁移，有利于 ROS 生成。超声瞬态电流和电化学阻抗光谱（EIS）等分析表明，Fe 掺杂提高了电荷转移效率，抑制了电荷复合。

Fe-MoS₂介导的压电催化和酶催化机制

通过密度泛函理论计算，分析 Fe 原子对压电催化剂结构和电子转移的影响。结果表明，Fe 掺杂破坏了 MoS₂的对称电荷分布，增强了极化和压电催化性能。计算不同应变下的偶极矩发现，Fe 掺杂显著提高了 MoS₂的极化效果。对类 CAT、类 OXD、类 POD 和类 GSHOx 反应进行计算分析，验证了 Fe-MoS₂的多种类酶活性的反应机制和热力学可行性。

Fe-MoS₂在超声照射下的体外治疗效果

生物 TEM 和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）显示，Fe-MoS₂能被小鼠皮肤黑色素瘤细胞（B16-F10）有效摄取和保留。细胞计数试剂盒 - 8（CCK8）等实验表明，Fe-MoS₂在一定浓度范围内对 B16-F10 细胞和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的 viability 影响较小，超声照射也具有良好的生物安全性。CCK8 实验显示，Fe-MoS₂在超声照射和 H₂O₂存在下，对 B16-F10 细胞的杀伤效果显著增强。活死染色、细胞内 ROS 检测等实验表明，Fe-MoS₂在超声和 H₂O₂协同作用下，能产生大量 ROS，其中?OH 在抑制肿瘤细胞增殖中起主导作用。流式细胞术分析显示，该组合处理可诱导肿瘤细胞凋亡，迁移实验表明其能显著抑制肿瘤细胞迁移。

无铜 Fe-MoS₂诱导的铜死亡

对 B16-F10 细胞进行转录组分析，发现 Fe-MoS₂ + US + H₂O₂处理后，多个基因表达差异显著，基因集富集分析（GSEA）显示氧化应激反应通路显著富集。基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析表明，处理后细胞的代谢途径和与铜死亡相关的基因发生显著变化，支持了铜死亡的发生。进一步实验验证，Fe-MoS₂处理导致线粒体损伤、ATP 合成减少、ATP7B 功能抑制、GSH 消耗、Cu 离子积累，最终诱导铜死亡，且外源性 GSH 补充可部分逆转相关变化。

Fe-MoS₂介导的铁死亡和铁蛋白自噬

GSEA 分析显示，Fe-MoS₂ + US + H₂O₂处理后，铁死亡和自噬通路显著富集。免疫荧光成像和蛋白质免疫印迹（Western blotting）等实验证实，该处理诱导了铁蛋白自噬，通过调节 NCOA4 和 LC3 促进铁蛋白降解和 Fe³⁺释放。同时，处理导致 GSH 水平降低，下调了谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPX4）表达，使脂质过氧化（LPO）积累，诱导了铁死亡。使用抑制剂实验表明，铜死亡在抑制肿瘤细胞生长中起主要作用，其次是铁蛋白自噬，铁死亡作用相对较小。

Fe-MoS₂压电催化剂的体内抗肿瘤性能

在皮下 B16-F10 肿瘤模型中评估 Fe-MoS₂的体内抗肿瘤效果。溶血试验和血液生化分析等表明，Fe-MoS₂具有良好的血液相容性和生物安全性，且能有效在肿瘤组织中积累和保留。体内治疗实验显示，Fe-MoS₂ + US 组对肿瘤生长的抑制效果显著优于其他组。组织学评估表明，该组合处理诱导了肿瘤细胞凋亡、抑制了细胞增殖，产生了大量 ROS，促进了铜离子积累、GSH 消耗，诱导了铜死亡、铁蛋白自噬和铁死亡，从而实现了良好的治疗效果。

讨论

目前诱导铜死亡的纳米系统多依赖含铜纳米材料，存在应用受限和铜离子转运效率低等问题。本研究的 Fe-MoS₂压电催化剂通过超声刺激，发挥压电催化和酶催化协同作用，产生 ROS、消耗 GSH，破坏细胞内铜离子稳态，诱导无铜铜死亡，同时促进铁死亡和铁蛋白自噬，显著抑制肿瘤生长。未来研究可探索合成新型无铜纳米材料，尝试其他外部刺激方法，深入研究铜离子转运相关蛋白和铜死亡的上下游信号通路，以进一步推动肿瘤治疗的发展。