通过铁空位调控的声敏催化剂协同诱导细胞凋亡/焦亡，增强非侵入性肿瘤抑制作用

《Biomaterials》：Iron-Vacancy-Tailored Sonosensitive Catalysts Amplify Noninvasive Tumor Suppression by Apoptosis/Pyroptosis Co-Induction

超声催化治疗通过铁空位（FeV）工程优化FeOCl纳米片，实现电子-空穴对高效捕获与分离，增强活性氧（ROS）生成并激活多通路细胞死亡机制（凋亡/炎症小体途径），有效缓解肿瘤缺氧并重塑微环境，在白血病和乳腺癌等模型中展现出显著抑癌效果。

　　

杨张|杨东|常美琪|丁莉|宋欣然|刘振芳|陈宇

广西医科大学第一附属医院血液科，中国南宁，530021

摘要：

声催化疗法因其非侵入性、时空精确性和深层组织穿透能力而成为治疗恶性肿瘤的有效方法。缺陷工程可以改善载流子分离，并增强活性氧（ROS）的生成，但目前技术在开发高效空穴捕获位点方面仍存在局限，这显著限制了整体ROS生成效率。在本研究中，通过合理设计含有铁空位的二维Fe-V（Fe_V）工程化FeOCl纳米片（Fe_VOCl NSs），实现了电子和空穴（e^--h⁺）的同时捕获，不仅显著提升了声催化活性，还具备了类似多种酶的特性，包括过氧化物酶、氧化酶和过氧化氢酶的活性。这些特性共同促进了ROS的生成，缓解了肿瘤缺氧，并重塑了肿瘤微环境。密度泛函理论（DFT）计算表明，Fe_VOCl NSs中战略性工程化的铁空位通过促进载流子分离和增加H₂O₂吸附能力，显著提高了ROS生成效率。这种双重功能在超声（US）照射下能够高效激活肿瘤细胞中的凋亡和焦亡途径，从而在包括血液系统和乳腺癌在内的多种癌症模型中展现出显著的体内肿瘤消除效果。这些发现突显了战略性缺陷工程与酶模拟活性在优化声催化治疗效果中的关键作用。

引言

活性氧（ROS）是一类由氧衍生的化学活性分子，包括超氧阴离子（•O₂^-）、单线态氧（¹O₂）、过氧化氢（H₂O₂）和羟基自由基（•OH）[1]、[2]。ROS在肿瘤微环境（TME）中作为基本的细胞内信号分子，对多种生理过程起着关键调节作用，包括基因表达调控、细胞信号转导、免疫反应调节和程序性细胞死亡（PCD）途径[3]、[4]。与正常细胞相比，恶性肿瘤细胞由于独特的氧化还原稳态，表现出更高的ROS依赖性信号水平。这种基本的代谢差异使它们对外源性ROS诱导的细胞毒性更加敏感，从而为基于氧化还原调节的抗癌策略提供了治疗窗口[5]。ROS通过激活多种调控的细胞死亡机制间接引发细胞死亡，包括焦亡[6]、铜死亡[7]、铁死亡[8]、自噬[9]和坏死[10]。因此，开发精确调控细胞死亡途径的策略是提高现代癌症治疗效果的关键方法。

声催化癌症疗法是一种有前景的策略，它利用超声（US）波与声催化生物材料之间的协同作用，选择性地靶向并消灭癌细胞[11]、[12]。这些生物材料在US刺激下能在TME中高效生成ROS，从而引发癌细胞死亡。声动力疗法的临床试验（例如NCT05362409、NCT05123534、NCT05580328）证明了其治疗效果，并显示出显著的临床潜力[13]、[14]。然而，传统的无机半导体基声敏剂在肿瘤消除方面的治疗效果有限，主要是由于它们的宽带隙特性、快速的载流子复合以及多途径ROS生成能力受限[15]、[16]、[17]。为了提高ROS生成效率和声催化性能，研究人员采用了多种策略，如缺陷工程[18]、异质结构构建[19]、阳离子插层[20]和表面修饰[21]。例如，基于锑的肖特基纳米异质结可以增强载流子分离[13]，而掺氟二氧化钛通过调整带结构和引入氧空位来提高声催化活性[22]，从而在US照射下有效诱导焦亡，通过caspase 1-gasdermin D（GSDMD）或caspase 3-gasdermin E（GSDME）途径实现。进一步的创新包括使用氟化亚铁等材料，它们抑制Wnt/β-连环蛋白信号通路，破坏肿瘤干性，增强细胞对氧化应激的敏感性，并放大焦亡介导的抗肿瘤免疫[23]。

缺陷工程已被证明是调节纳米材料电子结构的有效方法。通过对缺陷类型、空间分布和浓度的精确控制，可以显著修改这些材料的电子构型和化学性质[24]。最近的研究表明，引入可控的表面缺陷可以通过多种机制显著提高半导体材料的催化性能，包括创造额外的活性位点、增加载流子密度以及改善e^--h⁺分离效率[18]、[25]、[26]。开发含有工程化缺陷的纳米催化剂是纳米催化医学的关键研究方向，当前的研究主要集中在阐明这些缺陷纳米材料的生物学相互作用及其潜在机制。这一领域既提供了重要的科学机遇，也带来了巨大的挑战。

二维（2D）纳米材料，尤其是纳米片和纳米带，由于其超薄形态、优异的柔韧性和较大的表面积比，通常比块状材料具有更好的催化性能[27]。此外，这些纳米材料的原子级厚度显著缩短了载流子扩散路径，同时有效减少了载流子复合[28]。许多报道的2D生物材料由于带位置不合适，无法生成多种类型的ROS或达到ROS生成的治疗阈值[29]。特别是2D层状FeOCl因其出色的化学稳定性、理想的带隙能量和有利的电子带结构而成为一种有前景的催化剂[30]、[31]。然而，这种材料的催化效率仍受到快速载流子复合的限制，这对其在声催化癌症治疗中的应用构成了重大障碍。缺陷工程为解决ROS生成不足的问题提供了一种有效方法。通过精确控制Fe空位（Fe_V）浓度，这些结构缺陷可以作为有效的电子捕获位点，显著抑制载流子复合并提高载流子分离效率[32]。基于这些进展，我们假设控制Fe_V浓度将进一步增强FeOCl的催化活性，可能扩大其在声催化癌症治疗中的应用范围。

为应对这些挑战，我们采用Fe_V工程优化了超薄2D Fe_VOCl纳米片（NSs）。通过精确调节FeOCl中的Fe_V浓度，我们成功优化了能带结构，并显著降低了e^--h⁺的复合效率（图1a）。密度泛函理论（DFT）计算证实了空位在提高载流子密度方面的关键作用。Fe_VOCl NSs在US刺激下表现出优异的声催化性能，这归功于其优越的载流子分离和传输效率。更重要的是，声催化过程有效触发了多途径ROS生成机制。在此过程中生成的ROS导致肿瘤细胞线粒体功能障碍和DNA损伤，这些累积的氧化效应随后引发焦亡和凋亡（图1b）。值得注意的是，2D Fe_VOCl NSs通过激活经典的核苷酸结合寡聚化结构域（NOD）样受体包含的pyrin结构域3（NLRP3）炎性体途径，进而触发caspase-1介导的GSDMD切割，诱导焦亡性细胞死亡（图1c）。在两种不同的体内异种移植模型（B细胞淋巴瘤（A20）和乳腺癌（4T1）肿瘤中观察到的强大抗肿瘤效果清楚地证实了焦亡诱导的治疗益处。通过将缺陷工程与声催化效应相结合，本研究构建了一种多途径ROS生成机制，并实现了无机声催化剂和肿瘤反应的优化调节。

Fe_VOCl NSs和FeOCl的合成与表征

Fe_VOCl NSs是通过FeCl₃·6H₂O和NaCl的热分解合成的，而FeOCl则是通过单独热分解FeCl₃·6H₂O合成的（图2a）[32]、[33]。透射电子显微镜（TEM）分析显示，原始FeOCl具有特征性的层状结构（图S1，支持信息）。加入NaCl后，FeVOCl呈现纺锤状纳米片形态，平均粒径为99.7 nm（图2b-c）。

结论

总之，通过对2D氯化物基晶格中的铁空位缺陷进行精确工程，我们构建了一个协同的双功能催化中心，有效驱动了多途径ROS级联反应，从而显著增强了声催化肿瘤治疗的效果。与原始FeOCl相比，缺陷工程化的Fe_VOCl NSs表现出更优的性能，包括改进的载流子分离和迁移效率，以及在声催化过程中抑制了电子-空穴复合

CRediT作者贡献声明

杨东：软件、方法论、形式分析。杨张：撰写初稿、软件、项目管理、方法论。刘振芳：资金获取、数据管理。宋欣然：撰写与编辑、数据管理、概念构思。丁莉：项目管理、方法论、数据管理。常美琪：形式分析、数据管理。陈宇：撰写与编辑、数据管理、概念构思

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可应要求向相应作者索取。

竞争利益声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

所有动物实验均严格遵循济宁第一人民医院医学动物护理和福利委员会的指导方针进行。本研究得到了国家自然科学基金（批准号：82160039）的支持。