本研究由四川大学高分子科学与工程学院、先进高分子材料全国重点实验室的Chuan Peng、Gang Zhang、Yuling Zhu、Yu Yao、Yan Luo、Guangqing Han、Yiwei Wang、Yi Zheng、Yeqiang Zhou、Yang Liu、Hong Tan、Mingming Ding，以及四川大学华西医院的Weili Fu、Jianxin Xue等人合作完成，通讯作者为Mingming Ding和Jianxin Xue。该论文于2025年9月30日在线发表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202505829），属于原创性研究论文。
一、研究背景与目的
铜离子在生命活动中发挥着不可替代的作用。作为多种关键酶的催化与结构辅因子，铜离子参与能量代谢、氧运输、细胞信号转导等核心生理过程。铜离子具有远高于铁离子的芬顿反应活性，近年来还被发现可触发一种新型细胞死亡方式——铜死亡（cuproptosis），因此铜基药物和递送系统成为肿瘤治疗的研究热点。然而，现有的铜基治疗体系主要依赖小分子配合物，普遍存在稳定性差、靶向性不足、功能单一以及潜在毒副作用等问题。更为关键的是，铜离子与配体结合后的氧化态变化及相互作用机制至今仍存在广泛争议。
在生物体系中，铜离子的氧化还原活性、包封、运输和分布均由蛋白质精密调控。金属离子介导的蛋白质构象转变和折叠过程启发了研究者：如果能够设计一种智能聚合物体系来模拟蛋白质与铜离子的相互作用，不仅可以深化对蛋白质—金属离子相互作用的理解，还能为疾病诊断与治疗提供仿生材料平台。基于这一构想，本研究首次报道了一种铜离子可切换、自折叠、具有酶模拟功能的荧光聚合物体系，系统阐明了多硫醇聚合物与铜离子的配位氧化机制，并探索了其在肿瘤特异性成像与多模式治疗中的应用潜力。
二、研究流程与实验设计
本研究的实验流程可分为以下几个相互关联的环节：
第一环节是聚合物的合成与表征。研究者首先以L-半胱氨酸和DL-半胱氨酸为原料，经氨基保护制备了L-Cys-Cbz N-羧基酸酐和DL-Cys-Cbz N-羧基酸酐单体，随后以mPEG-NH₂为引发剂进行开环聚合，再脱除Cbz保护基团，得到左旋聚硫醇（PSH）和消旋聚硫醇（DL-PSH）。通过核磁共振氢谱、傅里叶变换红外光谱和凝胶渗透色谱确认了聚合物结构，聚合度计算为18–19。PSH和DL-PSH在水溶液中自组装形成直径约26和28 nm的超小纳米颗粒，动态光散射、透射电镜以及回转半径与流体动力学半径比值分析证实其为中空囊泡结构，并可通过包载亲水性染料罗丹明6G的自猝灭现象进一步验证。
第二环节是铜离子调控的荧光与配位氧化机制研究。PSH和DL-PSH因巯基簇集形成非经典发光中心，在445–605 nm范围内发射明亮的本征荧光，而半胱氨酸单体本身不发光。等温滴定量热分析揭示PSH与Cu²⁺的结合为自发放热过程，巯基与铜离子的配位比为3:1。X射线光电子能谱和铜离子特异性探针检测表明，在有氧且铜离子饱和配位条件下，配合物中约74.6%的铜以Cu⁺形式存在，25.4%为Cu²⁺。厌氧实验中所有加入的Cu²⁺均被还原为Cu⁺，再暴露于空气后约25%的Cu⁺被氧化回Cu²⁺。综合荧光变化、铜离子探针和巯基检测，研究者首次提出了多硫醇与铜离子配位氧化的定量反应方程，揭示了在配位过程中三分之一的巯基被氧化形成二硫键，三分之二的巯基与铜离子配位。铜离子引入导致PSH荧光完全猝灭，通过交替加入铜离子和三(2-羧乙基)膦可实现荧光的可逆恢复，表明该体系可作为铜离子检测探针。
第三环节是稳定性与构象转变分析。铜离子配位后聚合物仍保持球形囊泡形态，粒径增大至约50 nm，且稀释200倍后粒径和分布基本不变，说明Cu²⁺介导的配位氧化赋予聚合物自交联和自包封特性，显著提升纳米载体稳定性。圆二色光谱显示，PSH原本以β-折叠构象为主，与Cu²⁺结合后发生从β-折叠向α-螺旋的构象转变，而DL-PSH始终保持无规卷曲结构。通过H₂O₂完全氧化PSH得到的PSS仍保持β-折叠构象，证明构象转变由巯基与铜离子的配位而非氧化驱动。进一步实验表明，Cu²⁺而非Cu⁺诱导构象转变，EDTA或TCEP可逆转该转变。全原子分子动力学模拟证实了PSH的β-折叠和PSCu的α-螺旋结构，时间依赖密度泛函理论计算提示铜配位后的电子密度变化增强了羰基的氢键受体能力，有利于α-螺旋的稳定。
第四环节是药物递送与双酶活性评估。研究者选用姜黄素（curcumin，CUR）作为模型药物，PSH可通过荧光共振能量转移将本征荧光传递给CUR，FRET效率高达88.4%。铜离子的协同配位作用使CUR的载药量达到23%，是PSH的45倍、二硫键稳定的PSS的40倍、仅配位Cu⁺体系的近2倍。在谷胱甘肽存在下CUR荧光迅速恢复，表明该体系可作为氧化还原响应的成像与释药开关。酶活性测试表明，PSCu具有类谷胱甘肽过氧化物酶和类过氧化物酶双重活性：在H₂O₂存在下可产生大量羟基自由基，米氏常数低于半胱氨酸—铜小分子配合物，最大反应速率更高，且在pH 5.0–6.5范围内保持较高活性。类谷胱甘肽过氧化物酶活性在pH 5.5时最优，可高效消耗谷胱甘肽。
第五环节是体外肿瘤细胞特异性成像与杀伤研究。在4T1肿瘤细胞内，PSH经铜离子猝灭后的本征荧光可被胞内谷胱甘肽还原而恢复，发出多色荧光，而在3T3成纤维细胞或用丁硫氨酸亚砜亚胺抑制谷胱甘肽表达的4T1细胞中几乎无荧光信号。细胞毒性实验显示该聚合物复合物对3T3细胞毒性很低，但对4T1细胞具有显著杀伤作用，且PSCu的抗肿瘤活性高于DL-PSCu，这归因于螺旋构象带来的更高细胞内化效率、溶酶体逃逸能力和酶活性。机制研究表明，PSCu处理可降低细胞内谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽比值，产生过量活性氧和脂质过氧化，下调铜死亡标志物DLAT、FDX1和LIAS，诱导钙网蛋白暴露，并促进HMGB1和ATP释放，证明其通过铁死亡、铜死亡和免疫原性细胞死亡协同杀伤肿瘤细胞。
第六环节是体内成像与抗肿瘤疗效评价。药代动力学显示CUR@PSCu的半衰期约为28小时，远长于游离CUR的1.6小时。利用Cy5标记的聚合物进行体内成像时，荧光信号分布于全身主要器官；而利用聚合物本征荧光成像时，信号仅出现在肿瘤区域，证明PSCu体系具有肿瘤特异性成像能力。体内抑瘤实验中，CUR@PSCu的瘤重抑制率是CUR@DL-PSCu的1.6倍，联合αPD-1免疫检查点抑制剂后疗效进一步增强，可更有效抑制肿瘤生长并延长小鼠生存期。免疫学分析表明，该纳米系统在体内诱导了明显的免疫原性细胞死亡效应，促进树突状细胞成熟，增强CD4⁺和CD8⁺ T细胞的瘤内浸润，并提高血清中TNF-α和IFN-γ水平。组织学检查和体重监测未见明显毒副作用。
三、主要结果与逻辑关系
本研究的前两个环节构成了机制解析的基础。PSH独特的本征荧光使研究者能够利用荧光猝灭与恢复现象对铜离子配位过程进行精确的化学计量分析，结合等温滴定量热、X射线光电子能谱和铜离子特异性探针，首次提出了多硫醇与Cu²⁺反应的定量方程，解决了文献中关于铜离子氧化态的争议。这一机制研究直接支撑了后续的稳定性与构象分析：因为三分之一的巯基被氧化形成二硫键，聚合物网络发生自交联，从而获得优异的稀释稳定性和抗蛋白吸附能力；因为三分之二的巯基与Cu²⁺配位，聚合物发生从β-折叠向α-螺旋的构象转变，而螺旋构象被证明具有更强的膜活性和细胞内化能力。第三环节的构象研究又解释了第四环节中PSCu与DL-PSCu在酶活性和细胞摄取方面的差异，形成了从分子机制到结构与性能关系的完整逻辑链条。第五和第六环节的体外与体内实验则将上述结构与性能优势转化为肿瘤特异性成像和多模式治疗效果，验证了设计策略的可行性和临床转化潜力。
四、结论与意义
本研究成功开发了一种蛋白质启发的自包封聚合物体系，首次系统阐明了多硫醇与铜离子的配位氧化机制并给出了定量反应方程，解决了领域内长期存在的争议。研究提出了一种铜离子协同配位增强载药量的新策略，使姜黄素载药量提高了45倍。该聚合物复合物通过本征荧光和FRET效应实现肿瘤细胞特异性成像，并通过类谷胱甘肽过氧化物酶和类过氧化物酶双酶活性，在肿瘤微环境中选择性诱导铁死亡、铜死亡和免疫原性细胞死亡。体内实验证实该体系可特异性点亮并治疗肿瘤，联合免疫检查点抑制剂后疗效进一步增强，展现了良好的临床转化前景。该研究不仅为理解大分子与金属离子的相互作用提供了新见解，也为智能仿生材料在疾病诊断与治疗中的应用奠定了基础。
五、研究亮点
本研究的核心亮点包括：首次报道了铜离子可切换的自折叠荧光聚合物，其本征荧光源于巯基簇的非经典发光机制；首次通过定量方程系统阐明了多硫醇与铜离子的配位氧化机制以及Cu⁺/Cu²⁺的氧化还原平衡规律；发现Cu²⁺配位诱导聚合物从β-折叠向α-螺旋的构象转变，且该转变可逆；利用铜离子协同配位策略实现了姜黄素载药量45倍的提升；聚合物复合物兼具肿瘤特异性成像和双酶模拟活性，可在体内外协同诱导多种细胞死亡方式并激活抗肿瘤免疫反应。此外，PSH本征荧光作为一种便捷的分析工具，可用于实时监测配位过程、载体稳定性和药物释放，为金属—高分子相互作用研究提供了新的方法学手段。