CJSC编委长春应化所林君/丁彬彬研究员和哈尔滨工程大学马平安教授【Angew】 谷胱甘肽诱导...

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（来源：结构化学CJSC）

第一作者: 马鑫宇

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活性氧（ROS）介导的肿瘤治疗因能够破坏肿瘤细胞氧化还原稳态而受到广泛关注，但传统声催化剂存在电子-空穴复合严重、肿瘤特异性差以及脱靶毒性等问题。中国科学院长春应用化学研究所林君/丁彬彬研究员联合哈尔滨工程大学马平安教授设计了一种肿瘤微环境响应型FeOOH纳米纺锤体声催化平台。该体系利用肿瘤细胞内高浓度谷胱甘肽（GSH）原位诱导FeOOH表面形成氧空位（Ovac），实现肿瘤特异性缺陷工程构建。原位形成的氧空位显著改善载流子分离效率，提高单线态氧（1O2）生成能力；同时GSH还将Fe3+还原为Fe2+，触发Fenton反应产生羟基自由基（•OH），并促进耗氧肿瘤中的氧气生成。最终，通过“氧空位增强声催化+氧气供给+Fenton反应”三重协同机制，实现肿瘤细胞凋亡与铁死亡双重诱导，在体内外均表现出优异的抗肿瘤效果。

背景介绍

声催化治疗（SCT）因具有组织穿透深、无创以及时空可控等优势，被认为是极具潜力的肿瘤治疗策略。然而，传统声催化剂普遍存在载流子快速复合、ROS产率不足以及肿瘤微环境抑制催化活性等问题，严重制约治疗效果。氧空位工程被认为是提高半导体催化性能的重要策略，但现有氧空位构建方式通常依赖高温还原、杂原子掺杂等体外方法，不仅工艺复杂，而且缺乏肿瘤特异性。肿瘤细胞中普遍存在高浓度GSH，为开发肿瘤微环境响应型缺陷工程材料提供了新的思路。如何利用肿瘤内源性GSH实现原位氧空位构建并增强声催化治疗，仍是当前研究的重要挑战。

本文亮点

肿瘤微环境响应型原位缺陷工程

利用肿瘤细胞内高浓度GSH作为内源性触发因子，实现FeOOH纳米纺锤体表面氧空位的原位生成，避免传统缺陷工程带来的非特异性激活和脱靶毒性。

“三位一体”协同催化机制

GSH诱导氧空位形成增强声催化ROS产生；Fe3+/Fe2+循环触发Fenton反应生成•OH；Fe3+催化H2O2分解产生氧气缓解肿瘤缺氧环境，三种机制协同放大治疗效果。

凋亡与铁死亡双重诱导

氧化应激爆发导致线粒体损伤，同时GSH耗竭抑制GPX4活性，引发脂质过氧化积累，实现肿瘤细胞凋亡与铁死亡协同治疗。

图文解析

图 1. GSH诱导氧空位形成及结构表征

（a）FeOOH纳米纺锤体的合成路线示意图；（b-c）TEM和元素分布结果表明FeOOH呈均一梭形结构，Fe和O元素均匀分布；（d-e）理论模型展示氧空位形成前后FeOOH晶体结构变化；（f）XRD结果表明GSH处理后FeOOH晶体结构保持稳定；（g-i）XPS分析显示GSH处理后Fe2+比例增加，氧空位含量提升；（j-k）ESR结果证实肿瘤细胞内高浓度GSH可有效诱导氧空位原位生成。

图 2. 氧空位调控电子结构与载流子行为

（a-c）HA修饰提高FeOOH纳米纺锤体的分散性和生理稳定性；（d）氧空位引入后带隙由2.04 eV降低至1.95 eV；（e-f）Mott-Schottky测试表明材料均属于n型半导体；（g）荧光光谱显示氧空位显著抑制电子-空穴复合；（h-i）电化学阻抗与瞬态电流结果表明氧空位促进电荷传输和载流子分离。

图 3. 氧空位增强ROS生成能力

（a）GSH诱导氧空位形成机制示意图；（b-c）FeOOH持续消耗GSH并形成氧空位；（d）FeOOH-Ovac能够催化H2O2产生氧气，缓解肿瘤缺氧；（e-k）ABDA、DPBF及ESR结果表明FeOOH-Ovac在超声作用下显著提高1O2生成能力；（l-p）OPD检测和DMPO捕获实验显示FeOOH-Ovac显著增强•OH生成效率。

图 4. DFT理论计算揭示氧空位增强机制

（a-b）氧空位使FeOOH功函数由5.728 eV降低至5.141 eV；（c-d）氧空位提升氧原子悬挂键密度，增强催化活性；（e-h）氧空位显著增强H2O2和O2吸附能力；（i-l）差分电荷密度结果表明氧空位促进电子向反应物转移，提高ROS生成效率。

图 5. 氧空位增强体外抗肿瘤活性

（a-b）FeOOH具有良好生物相容性，超声作用下显著提高肿瘤细胞杀伤效率；（c-d）细胞摄取及ROS检测表明FeOOH+US诱导大量ROS生成；（e-f）线粒体膜电位下降和脂质过氧化增加，提示细胞发生氧化损伤；（g-h）GSH耗竭及GPX4下调激活铁死亡通路；（i）流式细胞实验证实FeOOH+US具有最佳肿瘤杀伤效果。

图 6. 体内声催化治疗效果及生物安全性评价

（a）4T1荷瘤小鼠治疗流程示意图；（b-e）肿瘤体积、重量及离体肿瘤分析表明FeOOH+US显著抑制肿瘤生长；（f-g）体重和血液学检测证实体系具有良好生物安全性；（h）组织学和免疫荧光分析表明FeOOH+US促进ROS积累、诱导细胞凋亡和铁死亡并缓解肿瘤缺氧。

总结与展望

本研究提出了一种肿瘤微环境响应型原位缺陷工程策略，通过利用肿瘤细胞内高浓度GSH实现FeOOH纳米纺锤体表面氧空位的精准构建。氧空位的形成不仅优化了材料电子结构，提高声催化ROS产生能力，还协同Fenton反应和氧气生成过程，形成多重催化放大机制。该体系实现了ROS风暴诱导的细胞凋亡和铁死亡协同治疗，在体内外均展现出优异的抗肿瘤效果和生物安全性。该工作为肿瘤微环境驱动的智能缺陷工程设计提供了新范式，也为下一代精准声催化纳米药物开发开辟了新的研究方向。

通讯作者简介

丁彬彬: 中国科学院长春应用化学研究所研究员。2015年本科毕业于合肥工业大学，2020年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，后留所工作至今。目前已发表论文90余篇，其中以第一/通讯作者在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等杂志上发表论文50余篇，申请中国发明专利10余项。主持包括国家自然科学基金优青/面上/青年、吉林省青A、博新计划等项目10项。获吉林省自然科学一等奖、吉林省科技进步一等奖和中国科学院院长特别奖等奖励。目前担任中国稀土学会发光专业委员会委员，Exploration期刊常务学术编辑、Rare Metals客座主编，以及Science Bulletin、Interdisciplinary Medicine、Nano Research等期刊青年编委。

马平安: 哈尔滨工程大学教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者（2019），吉林省中青年科技创新团队负责人。2010年毕业于东北师范大学，获博士学位。主要研究方向为无机纳米材料及生物医学应用。在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Mater. Today、Adv. Sci.、Biomaterials等国际学术期刊上发表SCI论文150余篇，被他人正面引用11000余次，H-index为59。获得吉林省自然科学一等奖（2022，排名第1）等科研奖励6项；主持国家自然科学基金、国家重点研发计课题等科研项目10余项。担任中国稀土学会发光专业委员会秘书长、稀土晶体专业委员会委员、稀土生物医学专业委员会委员、中国核学会分会理事，以及“Chinese Chemical Letters”、“Nano Research”、“中国稀土学报”、“分析化学”、“应用化学”等期刊编委/青年编委。

林君: 中国科学院长春应用化学研究所研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，美国医学与生物工程学会会士，英国皇家化学会会士，万人计划科技创新领军人才，科技部重点领域创新团队负责人，长白山杰出人才，中国稀土学会理事，中国稀土学会发光专业委员会主任，中国稀土学报（中英文版）和发光学报编委。课题组自2000年以来一直从事纳-微米结构发光材料的控制合成、形态结构和性能调控及其在显示照明及生物医学领域的应用基础研究。在各种稀土发光材料的形貌控制技术、发光薄膜及其图案化技术、特色FED发光材料、多功能稀土上转换发光材料在生物成像和药物控制传递与释放等方面做出了具有原始创新和国际影响的研究工作。曾经/正在承担科技部973项目子课题、国家自然科学基金杰出青年基金项目、重点项目以及若干面上项目和国际合作项目。2009年获得吉林省科技进步一等奖，2014年和2022年两次获得吉林省自然科学一等奖。2014-至今连续入选“汤森路透全球材料领域高被引科学家”名录。至今已在国内外核心期刊如Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.等上面发表学术论文1000余篇，截止目前这些论文共被他人引用9万余次（H指数159）；获授权中国发明专利12项。应邀参加和参与组织国内外重要学术会议并做邀请报告100余次；获得2020年度中科院优秀导师奖，培养博士硕士研究生100余人。