通过手性诱导的自旋选择性效应，利用电子自旋调制实现高效的肿瘤声电治疗

《Nano Letters》：Achieving Efficient Sonopiezoelectric Therapy for Tumor through Electron Spin Modulation via the Chiral-Induced Spin Selectivity Effect

超声介导的肿瘤治疗中，通过手性分子MBA调控MoS?纳米花的电子自旋，利用CISS效应提高活性氧·OH和超氧阴离子·O??的产率，抑制低毒性的H?O?生成，增强细胞凋亡效果。首次将CISS效应整合到超声催化治疗中，制备的MBA掺杂MoS?纳米花在体外和体内实验中均展现出显著抗肿瘤活性。

　　
近年来，超声波介导的肿瘤治疗技术因具有穿透力强、损伤可控等优势而备受关注。但传统压电半导体纳米材料作为声催化核心存在两大瓶颈：一是声催化效率不足，二是产物选择性较差。这导致治疗过程中产生大量低毒性的过氧化氢（H?O?），限制了疗效提升。本研究首次将手性诱导自旋选择（CISS）效应引入超声肿瘤治疗领域，通过分子手性调控电子自旋状态，显著优化了催化产物的毒性比例，为提升肿瘤治疗效果提供了新思路。

在材料设计方面，研究团队创新性地采用甲基苯乙胺（MBA）作为手性调控分子，通过水热法将R型、S型和消旋型MBA分别嵌入MoS?层间，制备出具有明确手性差异的R-MBA-MoS?、S-MBA-MoS?和rac-MBA-MoS?纳米花。透射电镜（TEM）显示纳米花平均尺寸约200纳米，高分辨电镜（HRTEM）证实其具有3-6层超薄结构，这种薄层构型有利于在超声波作用下产生显著的压电效应。元素面扫分析（EDX）证实MBA元素均匀分布在MoS?晶格中，同步圆二色谱（CD）测试显示R型和S型材料具有对称性CD信号，而消旋型材料无特征信号，这从分子结构层面验证了手性掺杂的有效性。

声催化机理研究揭示了手性调控的深层作用机制。通过拉曼光谱分析发现，掺杂不同手性MBA的MoS?材料同时存在金属相（1T相）和半导体相（2H相），这种异质结构赋予催化剂优异的电子传输能力。X射线光电子能谱（XPS）显示Mo和S的化学态未因手性掺杂发生改变，说明MBA的引入主要影响电子自旋而非化学键。压电力显微镜（PFM）测得三种材料的压电常数（d??）分别为83.8、84.2和83.3 pm/V，数值高度一致，证实手性掺杂未破坏材料的压电性能基础。

在声催化活性测试中，通过电子顺磁共振（ESR）检测发现：R型和S型手性催化剂在超声作用下（1MHz，1.5W/cm2，5分钟）能产生更高浓度的活性氧（ROS）。具体而言，·OH产量提升4.34倍，·O???产量提升1.93倍，而H?O?产量降低至0.56倍。自由基淬灭实验进一步证实，·OH是主导的抗癌活性物质，其产率提升直接导致RhB降解速率提高3.2倍。这种选择性催化现象源于CISS效应：手性分子通过不对称势场散射电子自旋，使同向自旋的电子更易形成高毒性·OH，而反向自旋电子则倾向于结合成低毒性的H?O?。

细胞实验验证了该机制的有效性。采用4T1肿瘤细胞模型发现，R-MS/S-MS组在超声辐照后48小时，细胞存活率仅16%，而对照组仍保持72%存活率。这种差异在透射电镜下得到直观呈现：实验组细胞线粒体膜结构崩解，而对照组细胞器完整。机制分析显示，高浓度·OH导致线粒体膜电位损伤（ΔΨm下降至对照组的1/3），ATP合成受阻，最终通过激活caspase-3通路诱导细胞凋亡。流式细胞术检测显示，实验组凋亡细胞占比达49%，是消旋型材料组的1.5倍。

体内治疗实验进一步佐证了该技术的临床潜力。将荷瘤小鼠分为六组，其中R-MS/S-MS联合超声组（5次治疗，每次间隔48小时）在14天后肿瘤体积抑制率达82.3%，显著优于消旋型材料组（抑制率43.7%）。活体荧光成像显示，手性纳米材料能精准靶向肿瘤组织（肿瘤荧光强度是肝脏的7.2倍）。组织病理学分析表明，实验组肿瘤细胞DNA损伤程度是对照组的3.8倍，而正常肝肾功能未受明显影响（HE染色显示肝细胞、肾小管结构完整）。

值得注意的是，该技术通过双重机制实现治疗增效：一方面，手性调控使·OH产量提升4.34倍，其抗癌活性是H?O?的12倍；另一方面，纳米材料释放的氧气（O?）可部分缓解肿瘤微环境的缺氧状态（肿瘤组织氧分压从12mmHg提升至28mmHg），使ROS在缺氧区域的半衰期延长3.5倍。这种协同作用在抑制肿瘤血管生成方面尤为显著，实验组微血管密度较对照组降低76.4%。

当前研究仍存在三个关键改进方向：首先，需开发更高效的手性掺杂技术以降低材料成本；其次，应探索不同超声参数对手性催化效果的动态影响；最后，需建立长期毒性评估体系。这些改进将推动该技术从实验室走向临床应用，为开发新型声动力治疗剂提供重要参考。

该研究的重要突破在于将电子自旋调控引入声动力治疗领域，开创了手性材料在肿瘤治疗中的新应用场景。通过分子手性设计实现自由基产物的定向调控，不仅解决了传统声催化选择性差的问题，更从根源上提升了治疗效能。这种"分子手性-电子自旋-催化产物"的递进调控机制，为纳米医学开辟了新的研究维度，其核心价值在于实现了治疗因子的精准控制——既保持高杀伤力的·OH，又有效抑制低毒副作用的H?O?，这种双向调控机制在肿瘤治疗领域具有里程碑意义。