本研究由Jingting Li、Sihan Wang、Fan Yang、Yang Guo、Xinyu Gao、Mingyu Nie、Zihan Zhou、Hao Xin、Fei Song、Changsong Dai以及通讯作者Zhaohui Wen等人完成，通讯单位主要为哈尔滨医科大学附属第一医院。该研究成果于2026年发表于 Journal of Nanobiotechnology 期刊，论文标题为“NIR-II photothermal-amplified triple catalysis of a spherical mesoporous iron single-atom nanozyme for potentiating ferroptosis-based tumor therapy”。

一、研究背景与目的

乳腺癌仍是当前最具侵袭性的恶性肿瘤之一，传统治疗手段往往存在治愈率低、靶向性差等不足。近年来，基于纳米催化医学的理念逐渐兴起，其核心在于利用纳米催化剂在肿瘤微环境中原位催化产生有毒活性氧，从而通过氧化应激杀伤肿瘤细胞。单原子纳米酶因其原子级活性位点和高效催化效率，成为该领域的重要候选材料。然而，活性氧水平不足以及肿瘤细胞固有的抗氧化防御体系，常常限制其治疗效果。此外，单原子纳米酶还存在金属活性位点负载量低、底物结合能力弱、体内稳定性差等问题。

针对上述挑战，本研究构建了一种球形介孔铁基单原子纳米酶，并在其表面修饰聚乙二醇和(4-羧丁基)三苯基溴化膦，形成Fe-SAZyme-TPP复合体系。该体系旨在通过第二近红外光热效应放大其多重类酶催化活性，同时结合光热治疗，协同诱导铁死亡，从而提升抗肿瘤疗效。研究的核心目标包括：验证Fe-SAZyme-TPP的三重类酶活性及其光热增强效应；通过密度泛函理论计算揭示其催化机制；在体外和体内模型中评估其靶向性、生物安全性与协同抗肿瘤效果。

二、研究流程与实验方法

本研究首先通过多巴胺聚合与碳化工艺制备球形介孔碳骨架，再将二茂铁与碳前驱体研磨后在900 °C氮气气氛下煅烧，经硫酸处理获得Fe-SAZyme。随后利用甲氧基聚乙二醇胺在其表面引入氨基，并通过EDC/NHS化学将TPP偶联至纳米酶表面，最终获得Fe-SAZyme-TPP。材料表征采用了扫描电子显微镜、透射电子显微镜、球差校正透射电子显微镜、X射线光电子能谱、X射线衍射、氮气吸脱附、傅里叶变换红外光谱、热重分析和ζ电位等多种手段。

在光热性能评估中，研究者将不同浓度的Fe-SAZyme溶液置于1064 nm激光下照射，记录温度变化，并计算光热转换效率。类过氧化物酶活性通过TMB显色法检测，类过氧化氢酶活性通过溶解氧仪监测氧气生成，类谷胱甘肽过氧化物酶活性则利用DTNB指示剂测定谷胱甘肽消耗。稳态动力学参数采用米氏方程和Lineweaver-Burk双倒数作图获得。为探究温度对酶活性的影响，实验在室温与53 °C条件下分别测定动力学参数，并通过阿伦尼乌斯方程计算活化能。

密度泛函理论计算利用VASP软件包完成，采用投影缀加波方法和PBE泛函，设置500 eV截断能，并引入DFT-D3范德华修正。计算模型模拟了H₂O₂在Fe-N活性位点上的吸附、O-O键断裂、羟基自由基生成以及活性位点再生全过程。

体外细胞实验采用小鼠乳腺癌4T1细胞和人脐静脉内皮细胞。细胞摄取实验使用罗丹明B标记的Fe-SAZyme-TPP，结合DAPI和MitoTracker Green进行共定位观察，并通过流式细胞术和电感耦合等离子体发射光谱定量分析铁含量。细胞活性检测采用CCK-8法，活性氧检测使用DCFH-DA荧光探针，丙二醛水平通过商品化试剂盒测定，谷胱甘肽含量采用DTNB法。线粒体膜电位变化使用JC-1探针检测，细胞凋亡通过Annexin V-FITC/PI双染流式分析。蛋白表达水平通过Western blot检测，包括GPX4、Bcl-2、Bax、HIF-1α和HSP70。铁死亡相关细胞内Fe²⁺水平采用特异性红色荧光探针染色。

体内实验建立了BALB/c小鼠4T1皮下肿瘤模型，待肿瘤体积达80–100 mm³后随机分为五组：PBS对照组、NC组、Fe-SAZyme组、Fe-SAZyme-TPP组及Fe-SAZyme-TPP+NIR-II组，每组6只。治疗组通过尾静脉注射纳米材料，24小时后对联合组进行1064 nm激光照射。治疗期间每3天记录肿瘤体积和体重，15天后处死小鼠，收集肿瘤和主要器官进行H&E、TUNEL、Ki-67、GPX4、HIF-1α、4-HNE和HSP70等组织学与免疫组化分析。体内分布研究采用ICP-OES定量检测各组织铁元素含量，并利用DIR标记进行活体荧光成像。血液相容性通过溶血实验评估。

三、主要研究结果

表征结果证实Fe-SAZyme具有约200 nm的均匀球形介孔结构，比表面积达291.97 m²/g，平均孔径为4.8 nm。球差电镜观察到孤立的铁单原子亮点，XPS显示N 1s谱中存在Fe-Nx配位峰，铁负载量约为0.43%–0.51%。表面修饰后，Fe-SAZyme-TPP在水溶液和生理盐水中保持良好分散性，7天内粒径和多分散指数稳定。

光热实验显示，Fe-SAZyme在1064 nm激光照射下温度随浓度和功率密度增加而升高，最高可达68.8 °C，光热转换效率为42.6%。经过五次开关循环后，温升仍维持在治疗有效范围，表明其光热稳定性良好。类酶活性检测证实Fe-SAZyme具有类过氧化物酶、类过氧化氢酶和类谷胱甘肽过氧化物酶三重活性。在53 °C条件下，类过氧化物酶活性的Km从1.56 mM降至1.25 mM，Vmax从1.03×10⁻⁷ M/s升至1.46×10⁻⁷ M/s；类过氧化氢酶活性的Km从21.93 mM降至13.49 mM，Vmax从5.13 mg/L/min升至6.23 mg/L/min。阿伦尼乌斯计算显示类过氧化物酶活化能为10.07 kJ/mol，类过氧化氢酶活化能为5.67 kJ/mol，较低的反应能垒解释了温度升高对催化效率的显著促进作用。

密度泛函理论计算揭示了Fe-SAZyme催化H₂O₂生成羟基自由基的完整循环路径：H₂O₂首先吸附于Fe位点，吸附能为0.38 eV，O-O键由1.470 Å拉长至1.588 Å；随后发生均裂，活化能仅为0.19 eV，生成·OH和Fe-OH*中间体；在酸性条件下，OH*与H⁺结合形成H₂O并脱附，体系能量降低0.24 eV，使Fe-SAZyme恢复初始态，实现持续循环催化。分波态密度分析显示O 2pz轨道与Fe 3dz²轨道在1.234 eV处具有相同的杂化电子态，证明二者之间存在强相互作用。

细胞实验表明，Fe-SAZyme-TPP能够高效进入4T1细胞并定位于线粒体，皮尔逊相关系数达0.86±0.02。ICP-OES定量证实TPP修饰显著提高了细胞摄取量。CCK-8结果显示，Fe-SAZyme-TPP呈浓度依赖性抑制4T1细胞活力，NIR-II照射进一步加剧细胞毒性，而人脐静脉内皮细胞在120 µg/mL浓度下仍保持较高存活率。DCFH-DA荧光检测显示，Fe-SAZyme-TPP+NIR-II组细胞内活性氧水平最高。谷胱甘肽检测表明该组谷胱甘肽消耗最明显，Western blot证实GPX4表达显著下调。MDA水平随时间延长逐渐升高，铁死亡抑制剂Ferrostatin-1可抑制该过程。JC-1染色显示联合组线粒体膜电位下降最严重，Annexin V-FITC/PI流式分析表明其凋亡率达38.88%，显著高于Fe-SAZyme-TPP组的19.88%。生物透射电镜观察到线粒体萎缩、嵴减少和膜密度增高等铁死亡形态学特征。HSP70检测显示Fe-SAZyme-TPP可显著抑制热休克蛋白表达，从而增强肿瘤细胞的热敏感性。

体内实验中，热成像显示Fe-SAZyme-TPP注射小鼠在NIR-II照射5分钟后肿瘤局部温度超过50 °C，而PBS组无明显升温。治疗15天后，Fe-SAZyme-TPP+NIR-II组肿瘤生长抑制率达88.4%，显著优于Fe-SAZyme组的48.7%。各组小鼠体重无明显变化，主要器官H&E染色未见明显病理损伤。免疫组化显示联合组HIF-1α和GPX4表达显著降低，4-HNE荧光强度最高，表明氧化损伤和铁死亡在体内同样被有效诱导。ICP-OES分析显示Fe-SAZyme-TPP在肿瘤组织中蓄积量达11.08% ID/g，仅次于肝脏和脾脏，证实其良好的肿瘤靶向能力。溶血实验显示各浓度组溶血率均低于3%，血液常规和生化指标未出现明显异常。

四、结论与价值

本研究成功构建了PEG和TPP修饰的球形介孔铁单原子纳米酶Fe-SAZyme-TPP，该体系同时具备类过氧化物酶、类过氧化氢酶和类谷胱甘肽过氧化物酶三重催化活性，并展现出高效的NIR-II光热转换性能。在肿瘤微环境中，Fe-SAZyme-TPP通过催化H₂O₂产生羟基自由基，同时消耗谷胱甘肽、抑制GPX4活性，从而破坏细胞内氧化还原稳态，诱导铁死亡。其类过氧化氢酶活性可产生氧气，缓解肿瘤缺氧，进一步增敏治疗。NIR-II照射不仅直接造成热损伤，还通过升温增强酶催化反应速率，实现光热治疗与纳米催化治疗的协同增效。密度泛函理论计算从原子层面阐明了低能垒的羟基自由基生成机制和循环催化路径。体外与体内实验均证实该体系具有优异的抗肿瘤效果、良好的生物相容性和肿瘤靶向能力。

本研究的科学价值在于：第一，将光热效应与多重类酶催化活性有机结合，提出了“光热放大催化”的新策略，为单原子纳米酶在肿瘤治疗中的应用提供了理论依据和实验范式；第二，通过密度泛函理论计算揭示了Fe-N活性位点上羟基自由基生成的热力学与动力学特征，明确了酸性环境下循环催化的可行性；第三，利用TPP线粒体靶向修饰实现了亚细胞水平的精准递送，将铁死亡诱导聚焦于线粒体这一关键细胞器。在应用价值方面，Fe-SAZyme-TPP具有良好的水分散性、血液相容性和肿瘤蓄积能力，且介孔结构为未来负载其他治疗分子提供了可能，具备作为多功能纳米平台的临床转化潜力。

五、研究亮点

本研究的突出亮点在于：其一，成功实现了NIR-II光热对三重类酶活性的同步放大，通过阿伦尼乌斯分析定量证明了较低活化能是热增强催化的内在原因；其二，密度泛函理论计算完整呈现了Fe-SAZyme催化H₂O₂生成·OH的循环反应路径和电荷转移图像，为实验现象提供了原子级解释；其三，TPP修饰赋予纳米酶线粒体靶向能力，使得铁死亡诱导精准作用于线粒体，而线粒体GPX4正是细胞抵御铁死亡的关键防线；其四，Fe-SAZyme-TPP在体内表现出显著的肿瘤生长抑制效果，同时保持良好的生物安全性，展示了较好的转化前景。此外，研究所使用的球形介孔结构既提高了活性位点可及性，又为后续载药功能化预留了空间。