金掺杂硫堇碳纳米酶通过诱导铁死亡增强化学动力学/光动力治疗

本研究针对肿瘤微环境缺氧和高谷胱甘肽水平限制传统治疗疗效的难题，开发了具有多重酶活性的金掺杂碳点纳米酶(Au-CDs)。该纳米酶能够缓解肿瘤缺氧、消耗GSH并实现自增强的CDT/PDT协同治疗，通过诱导铁死亡显著抑制肿瘤生长，为癌症联合治疗提供了新型安全纳米平台。

在肿瘤治疗领域，活性氧（ROS）和铁死亡被公认在肿瘤生存调控中发挥着关键作用。然而，肿瘤内部特有的缺氧和高谷胱甘肽（GSH）环境却为这些治疗策略设置了重重障碍。传统的癌症治疗方法常常因为肿瘤微环境的特殊性而效果受限，特别是光动力治疗（PDT）其疗效高度依赖于氧气供应，而肿瘤区域的严重缺氧状态大大限制了其治疗效果。如何突破肿瘤微环境的限制，开发新型高效的治疗策略，成为当前癌症治疗研究的重要方向。

在这项发表于《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》的研究中，研究人员创新性地开发了一种金掺杂碳点纳米酶（Au-CDs），为解决上述难题提供了新思路。这种新型纳米材料通过简单的一步水热法合成，展现出多重酶样活性，能够有效缓解肿瘤缺氧并实现不依赖氧气的自增强化学动力学治疗（CDT）和光动力治疗（PDT）联合治疗效果。

为了系统评估Au-CDs的抗肿瘤效果，研究团队运用了多种关键技术方法。在材料表征方面，通过透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等技术对Au-CDs的形貌、结构和组成进行了全面分析。在酶活性评价中，采用溶解氧测量仪和3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）显色法分别检测了过氧化氢酶样（CAT-like）和过氧化物酶样（POD-like）活性。细胞实验方面，使用CCK-8法检测细胞活力，Calcein AM/PI染色评估细胞死亡，并通过DCFH-DA和DHE荧光探针检测ROS水平。此外，还利用JC-1探针检测线粒体膜电位，GSH检测试剂盒测定谷胱甘肽含量，C11 BODIPY 581/591探针评估脂质过氧化水平，Ferro Orange探针测量Fe²⁺含量。分子机制研究中，通过Western blot和实时定量PCR（qRT-PCR）检测TFR1和GPX4的表达变化。动物实验使用BALB/c裸鼠异种移植瘤模型，通过尾静脉注射给药并结合激光照射，观察Au-CDs的体内抗肿瘤效果及生物分布。

3.1. Au-CDs的制备与表征

研究人员采用水热法成功合成了金掺杂碳点纳米酶Au-CDs，以氯金酸和硫堇作为前体材料。表征结果显示，Au-CDs均匀分散，平均尺寸为19.85±0.46纳米，明显小于未添加氯金酸的纯CDs（45.41±0.71纳米）。元素分布分析表明C、N、O、S和Au均匀分布在纳米颗粒中。XRD图谱显示在25°处出现弱衍射峰，同时在39°、45°、65°和80°处出现金的特征衍射峰，证实了金的成功掺杂。XPS分析进一步验证了材料的元素组成和化学状态。

3.2. Au-CDs的酶样活性

Au-CDs展现出多种内在酶样活性。研究表明，Au-CDs能够分解过氧化氢（H₂O₂）产生氧气（O₂），表现出CAT样活性；同时还能促进H₂O₂转化为羟基自由基（·OH），显示POD样活性。在激光照射下，Au-CDs能够产生单线态氧（¹O₂），凸显其在PDT中的应用潜力。值得注意的是，Au-CDs的¹O₂产率达到1.46，显著高于未掺杂的CDs（0.818），这归因于金掺杂促进了光生电子-空穴分离，增强了自由基生成。

3.3. Au-CDs对肿瘤细胞活力和增殖的影响

在结直肠癌HCT-116细胞模型中，Au-CDs通过联合CDT和PDT效应显著抑制细胞增殖。实验发现，Au-CDs与H₂O₂共孵育进一步促进了HCT-116细胞的凋亡，激光照射下细胞活力急剧下降，尤其是在H₂O₂存在时效果更为明显。在缺氧条件下，Au-CDs的毒性虽然有所降低，但仍能通过自供氧特性增强PDT效果。ROS检测表明，Au-CDs能够充分利用肿瘤微环境中的H₂O₂，通过高效的酶样活性释放ROS，并借助自身产氧特性增强光动力效应。

3.4. Au-CDs通过介导氧化应激发挥抗癌作用

研究发现，Au-CDs能够诱导HCT-116细胞线粒体损伤，表现为线粒体膜电位降低。同时，纳米颗粒干预促进了肿瘤细胞中GSH的消耗，激活了氧化应激过程。通过脂质过氧化（LPO）荧光探针和丙二醛（MDA）检测，证实Au-CDs促进了HCT-116细胞中脂质过氧化的积累，这一效应在激光照射下更为显著。这些结果表明Au-CDs能够诱导肿瘤细胞脂质过氧化，激活氧化应激过程，破坏其正常生理功能，从而抑制肿瘤恶性增殖。

3.5. Au-CDs通过诱导铁死亡发挥抗癌作用

进一步机制研究表明，Au-CDs能够诱导HCT-116细胞发生铁死亡。Fe²⁺含量检测显示，Au-CDs以浓度依赖性方式促进HCT-116细胞内Fe²⁺的积累，激光照射后这一效应更加明显。Western blot和qRT-PCR分析发现，Au-CDs上调了转铁蛋白受体1（TFR1）的表达，同时下调了谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的表达。免疫荧光实验进一步证实了GPX4表达的下降。这些变化在激光照射条件下更为显著，表明Au-CDs通过释放ROS调节铁死亡相关指标的表达，进而诱导肿瘤细胞铁死亡。

3.6. Au-CDs的代谢和分布

药代动力学分析显示，Au-CDs在小鼠体内的循环半衰期（t_1/2）为3.001小时，体外溶血率低于1%，表现出良好的血液相容性。体内分布实验表明，Au-CDs在注射后6小时在肿瘤区域达到峰值积累，同时在肝脏、脾脏、肺、心脏和肾脏中也有分布，反映了其代谢和清除途径。

3.7. Au-CDs在体内增强CDT和PDT的抗肿瘤疗效

在HCT-116异种移植瘤模型中，Au-CDs联合激光照射显著抑制了肿瘤生长。与未治疗组相比，Au-CDs单独处理组肿瘤增殖速率显著降低，而联合激光照射组甚至出现肿瘤体积缩小的趋势。肿瘤重量和体积测量结果显示，治疗组显著小于对照组。免疫组化分析发现，Au-CDs加PDT组肿瘤中Ki-67阳性率显著低于其他组，Western blot检测显示该组TFR1表达较高而GPX4表达较低，与细胞水平结果一致。

3.8. Au-CDs的生物安全性评价

安全性评估表明，注射不同浓度Au-CDs对小鼠体重无显著影响，主要器官（肾、心、肝、脾和肺）未见明显组织学差异。血液学检查显示Au-CDs对白细胞（WBC）、红细胞（RBC）和血红蛋白（HGB）水平无显著影响，生化检测也表明对谷草转氨酶（AST）、谷丙转氨酶（ALT）、血尿素氮（BUN）和肌酐（CREA）等肝肾功能指标无显著影响，证明Au-CDs具有良好的生物安全性。

该研究的结论部分强调，Au-CDs作为一种创新的多功能碳基纳米材料，通过诱导铁死亡增强自增强联合CDT和PDT的抗癌功效。在体外实验中，Au-CDs不仅通过过氧化物酶样活性产生ROS直接损伤癌细胞，还通过自身供氧增强PDT活性，同时降低GSH水平。当ROS水平超过细胞的抗氧化能力时，触发氧化应激效应，导致脂质过氧化，最终通过铁死亡机制抑制癌细胞增殖。体内实验进一步验证了Au-CDs在联合治疗中的显著抗肿瘤效果。

这项研究的重要意义在于开发了一种新型的多功能纳米酶平台，有效解决了肿瘤微环境限制传统治疗效果的难题。Au-CDs不仅具备多重酶样活性，能够自供应氧气并消耗GSH，还展现出良好的生物相容性和肿瘤靶向性，为癌症的联合治疗策略提供了新思路。相比传统的纳米酶和光敏剂，Au-CDs在合成简便性、催化效率和治疗效果方面展现出明显优势，具有重要的临床转化潜力。此外，该研究深入探讨了纳米材料诱导铁死亡的分子机制，为理解纳米材料与生物体系的相互作用提供了新的视角，对推动纳米医学发展具有重要意义。