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超高通量铜（I）单原子酶用于肿瘤自级联催化治疗的研究报告

一、研究团队与发表信息

本研究由Hongji Liu（中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学实验室/湖南大学化学化工学院）、Biao Yu（中国科学院合肥物质科学研究院）、Jinan Shi（中国科学院大学物理科学学院）等共同完成，通讯作者为Kai Wang（南京大学）、Xin Zhang与Hui Wang（中国科学院合肥物质科学研究院）。研究成果发表于Chemical Engineering Journal（2024年，卷480，页码148273），在线发布于2023年12月23日。

二、学术背景

研究领域：本研究属于纳米酶（nanozyme）与肿瘤催化治疗的交叉领域，聚焦于单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）的设计及其在肿瘤微环境（TME）中的催化治疗应用。

研究动机：
1. 临床需求：传统铜基单原子酶（Cu SAEs）存在制备工艺复杂、原子负载量低、价态不可控等问题，限制了其临床应用。
2. 科学问题：肿瘤微环境中低浓度H₂O₂（50–100 μM）、高浓度谷胱甘肽（GSH, ~10 mM）及弱酸性环境（pH 6.2–6.8）导致羟基自由基（·OH）生成效率不足。
3. 目标：开发一种高负载量、价态可控的Cu（I）单原子酶，通过级联催化（cascade catalysis）消耗GSH并生成·OH，实现高效的肿瘤治疗。

三、研究流程与方法

1. 材料合成与表征

• 制备方法：以甲酰胺（formamide）为碳氮前驱体，通过溶剂自碳化还原策略一步合成C₃N₄负载的Cu（I）单原子酶（Cu-CN）。
  
  • 关键步骤：甲酰胺在200°C下缩合为线性大分子链，通过席夫碱反应（Schiff base reaction）提供氮配位位点螯合Cu²⁺，碳化过程中碳基碎片将Cu²⁺还原为Cu⁺。
    
  • 创新点：无需高温热解或原子沉积设备，简化了传统SACs的制备流程。
    
• 表征技术：
  
  • 结构分析：通过像差校正扫描透射电镜（AC-STEM）和X射线吸收精细结构（XAFS）证实Cu以单原子形式分散，密度达2.19 atoms/nm²（23.36 wt%）。
    
  • 价态验证：电子能量损失谱（EELS）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线近边吸收谱（XANES）确认Cu价态为+1，且以Cu-N₄构型锚定。
    

2. 酶活性测试

• 级联催化性能：
  
  • GSH氧化酶（GSHOx）模拟活性：Cu-CN在溶解氧存在下将GSH氧化为H₂O₂（消耗GSH效率达90%以上）。
    
  • 过氧化物酶（POD）模拟活性：在弱酸性条件下催化H₂O₂生成·OH，动力学参数（Vₘₐₓ = 0.235 μM/s）优于文献报道的Cu SAEs。
    
• 实验验证：电子顺磁共振（ESR）和核磁共振（¹H NMR）证实了·OH的生成及GSH的消耗。
  

3. 体外与体内抗肿瘤评价

• 体外实验：
  
  • 细胞毒性：4T1乳腺癌细胞经Cu-CN处理后，存活率随浓度升高显著下降（IC₅₀ ≈ 50 μg/mL）。
    
  • 机制研究：Western blot显示Cu-CN下调GPX4（铁死亡标志蛋白）并上调cleaved PARP（凋亡标志蛋白），证实其通过铁死亡（ferroptosis）和凋亡（apoptosis）双通路杀伤肿瘤细胞。
    
• 体内实验：
  
  • 肿瘤抑制：4T1荷瘤小鼠模型显示，Cu-CN治疗后肿瘤体积抑制率达89.17%，且无显著全身毒性（通过血常规和组织学分析验证）。
    
  • 免疫荧光：肿瘤组织中GSH水平显著降低，·OH荧光信号增强，TUNEL染色显示广泛DNA损伤。
    

四、主要研究结果

1. 材料特性：Cu-CN具有超高Cu（I）负载量（23.36 wt%）和明确的Cu-N₄配位结构。
   
2. 催化性能：级联催化效率显著，GSH消耗与·OH生成形成正反馈循环，突破TME限制。
   
3. 治疗效应：通过铁死亡和凋亡双通路实现高效肿瘤抑制，且生物相容性良好。
   

五、研究结论与价值

科学意义：
- 提出了一种溶剂碳化还原新策略，为高负载量单原子催化剂的制备提供了普适性方法。
- 首次实现了Cu（I）单原子酶的价态精准调控，解决了传统Cu SACs价态混杂的问题。

应用价值：
- Cu-CN的级联催化特性可扩展至其他疾病（如细菌感染）的催化治疗。
- 为肿瘤微环境响应的纳米酶设计提供了新思路。

六、研究亮点

1. 方法创新：一步法合成超高密度Cu（I）单原子酶，避免了高温热解对细胞相容性的影响。
   
2. 性能突破：级联催化效率远超同类材料，且兼具GSH消耗与·OH生成能力。
   
3. 机制深化：首次阐明Cu（I）单原子酶通过铁死亡和凋亡双通路协同抗肿瘤。
   

七、其他价值

• 研究团队开发的表征方法（如EELS线扫描和WT-EXAFS）为单原子催化剂的精细结构解析提供了技术参考。
  
• 生物安全性数据（如血液相容性和器官分布）为后续临床转化奠定了基础。
  

该报告全面涵盖了研究的背景、方法、结果与意义，突出了其创新性和应用潜力。