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一、研究团队与发表信息

本研究由Hui Wang、Weitao Yang（共同第一作者）及Bingbo Zhang（通讯作者）领衔的团队完成，作者单位均来自同济大学医学院生物医学工程与纳米科学研究所。研究成果发表于ACS Nano（2025年9月17日，第19卷，页码34368–34383），标题为《Bioinspired Ultrastable Cu(I)-Bovine Serum Albumin Single-Atom Nanozymes Enable MRI-Trackable Synergistic Catalytic Therapy and Cuproptosis for Tumors》。

二、学术背景

研究领域：纳米医学与肿瘤治疗，聚焦于单原子纳米酶（single-atom nanozymes, SAzymes）的设计及其在铜死亡（cuproptosis）和催化治疗中的应用。

研究动机：
1. 科学问题：一价铜（Cu(I)）可诱导铜死亡（一种新型程序性细胞死亡途径）并催化活性氧（ROS）生成，但其生理环境下的快速氧化（Cu(I)→Cu(II)）限制了治疗效果。
2. 现有局限：传统Cu(II)纳米酶需在细胞内还原为Cu(I)才能生效，而小分子铜载体（如elesclomol）存在半衰期短、递送效率低等问题。
3. 研究目标：开发一种高稳定性Cu(I)单原子纳米酶，整合催化治疗与铜死亡，并通过MRI实现治疗过程实时监测。

背景知识：
- 铜死亡机制：Cu(I)结合三羧酸循环（TCA）中的二氢硫辛酰胺S-乙酰转移酶（DLAT），导致蛋白毒性聚集（区别于凋亡、铁死亡等）。
- 纳米酶特性：单原子催化剂具有原子利用率高、类酶活性（如过氧化物酶POD/过氧化氢酶CAT）等优势。

三、研究流程与方法

1. Cu(I)-BSA SAzymes的合成与表征

• 方法：采用牛血清白蛋白（BSA）介导的生物矿化策略，在温和条件下（37°C，pH 12）将Cu(II)还原为Cu(I)，形成单原子分散的Cu(I)-BSA SAzymes。
  
• 关键步骤：
  
  • 合成优化：通过调节BSA浓度、pH和温度，确定最佳Cu(I)/Cu比例（80%），铜负载量3.79 wt%。
    
  • 结构表征：
    
  • HAADF-STEM：证实Cu单原子均匀分散（图1c-d）。
    
  • 同步辐射分析：XANES和EXAFS显示Cu(I)以CuN3O配位结构存在（图1h-j）。
    
  • 稳定性验证：在生理环境中稳定存在>90天（图S11）。
    

2. 体外催化性能评估

• 类酶活性：
  
  • POD样活性：催化H₂O₂生成·OH、O₂·⁻和¹O₂（ESR检测，图2b）。
    
  • CAT样活性：分解H₂O₂为O₂，缓解肿瘤缺氧（图2d）。
    
• 动力学分析：Cu(I)/Cu比例越高，催化效率（kcat/Km）越高（图2g-i）。
  

3. 谷胱甘肽（GSH）耗竭与Cu(I)释放

• 机制：GSH与Cu(I)结合导致纳米酶聚集并释放Cu(I)，进一步氧化为Cu(II)（图2j-l）。
  
• 实验验证：DTNB法显示GSH浓度随时间下降（图2k），Cu(I)释放率达22.7%（12小时）。
  

4. 体外肿瘤细胞杀伤实验

• 模型：4T1（乳腺癌）和CT26（结肠癌）细胞。
  
• 结果：
  
  • ROS生成：DCFH-DA荧光证实肿瘤细胞内ROS水平显著升高（图3d）。
    
  • 铜死亡标志：DLAT寡聚化、ATP水平下降、线粒体膜电位崩溃（JC-1染色，图3f）。
    
  • 选择性杀伤：对正常细胞（3T3、NCM460）毒性较低（图S22）。
    

5. 转录组学分析（RNA-seq）

• 差异基因：9455个差异表达基因（DEGs），涉及铜离子稳态、氧化应激和TCA循环（图4c-e）。
  
• 通路富集：GSEA显示线粒体功能紊乱和DNA修复抑制（图4f-h）。
  

6. MRI示踪与体内治疗

• MRI机制：肿瘤微环境（TME）触发Cu(I)→Cu(II)转化，产生T₁加权信号（r₁=1.28 mM⁻¹s⁻¹，图5a-c）。
  
• 体内疗效：
  
  • 4T1模型：肿瘤抑制率68.8%（4 mg kg⁻¹ Cu剂量）。
    
  • CT26模型：抑制率80.3%（图6b-j）。
    
• 安全性：血液学和组织学分析未显示显著毒性（图S37）。
  

四、主要结果与逻辑链条

1. 稳定性突破：BSA的纳米限域效应保护Cu(I)不被氧化，解决了Cu(I)递送的核心难题。
   
2. 协同治疗机制：
   
   • 催化放大：POD/CAT双活性增强ROS并缓解缺氧。
     
   • 铜死亡诱导：GSH耗竭→Cu(I)积累→DLAT聚集→细胞死亡。
     
3. 自验证诊疗：Cu(II)的MRI信号与治疗效果正相关，实现治疗监测。
   

五、结论与价值

科学价值：
- 首次报道了长期稳定的Cu(I)单原子纳米酶，为金属价态工程纳米药物提供了新范式。
- 阐明了Cu(I)-BSA SAzymes通过氧化应激-能量代谢-铜死亡通路杀伤肿瘤的机制。

应用价值：
- 针对凋亡/铁死亡耐药肿瘤的精准治疗策略。
- MRI引导的实时疗效监控可优化临床治疗方案。

六、研究亮点

1. 方法创新：温和生物矿化法合成Cu(I)单原子纳米酶，突破传统高温还原法的局限性。
   
2. 多机制协同：首次整合催化治疗、铜死亡和MRI自反馈于单一平台。
   
3. 高稳定性：生理环境下>90天的稳定性远超同类材料。
   

七、其他有价值内容

• 临床转化潜力：在两种异种移植模型中均显示高效低毒特性（图6）。
  
• 扩展性：该策略可推广至其他金属价态依赖型疗法（如Fe(II)/Fe(III)）。
  

（全文约2000字）