铜掺杂金纳米簇(Tf@ACNCs)通过多源ROS生成延长光动力治疗时效的创新研究

本研究针对传统光动力治疗(PDT)中活性氧(ROS)生成受限于光照时间的核心难题，开发了以全铁转运蛋白(Tf)为配体的铜掺杂金纳米簇(Tf@ACNCs)。通过降低HOMO-LUMO能隙增强光激发效率，同时优化过氧化物酶(POD)样催化反应的吉布斯自由能，实现了光照下产生超氧阴离子(O2•?)、无光照条件下持续生成羟基自由基(•OH)的双重机制，使ROS作用时间延长至6小时。该策略使黑色素瘤抑制率提升41.38%，为增强PDT疗效提供了新范式。

　　

在肿瘤治疗领域，光动力治疗(PDT)因其微创性和时空可控性备受关注，但传统光敏剂仅在光照时产生活性氧(ROS)的特性严重制约了疗效。如何突破光照时间限制、实现ROS持续生成，成为提升PDT效果的关键科学问题。针对这一挑战，四川大学华西口腔医院的研究团队创新性地设计了铜掺杂金纳米簇(Tf@ACNCs)，相关成果发表在《Materials》上。

研究团队主要采用密度泛函理论(DFT)计算分析电子结构，通过紫外-可见吸收光谱和荧光光谱表征光学特性，结合电子顺磁共振(EPR)检测ROS类型，并利用流式细胞术和Western blotting评估细胞死亡机制。体内实验采用A375黑色素瘤细胞系来源的异种移植(CDX)模型验证疗效。

3.1 Tf@ACNCs的合成与表征
通过优化铜掺杂比例(Au:Cu=1:0.2)，成功构建了以全铁转运蛋白(Tf)为配体的纳米簇。质谱分析显示其金属核心为Au₂₁Cu₄结构，X射线光电子能谱(XPS)证实铜以Cu⁰/Cu⁺形式存在。该纳米簇保持与未掺杂Tf@AuNCs相似的荧光量子产率(11.02%)，且在生理环境中表现良好稳定性。

3.2 多源ROS生成机制
DFT计算揭示铜掺杂使HOMO-LUMO能隙从1.473 eV降至0.904 eV，促进电子跃迁。EPR证实其具有双重功能：作为I型光敏剂产生O₂^•?，同时通过降低POD样催化反应的吉布斯自由能(3.927 eV vs 4.481 eV)，持续催化H₂O₂生成^•OH。体外实验显示其协同氧化效果比未掺杂纳米簇增强2.3倍。

3.3 细胞内ROS时效延长
通过Tf受体(TfR)靶向作用，Tf@ACNCs在黑色素瘤细胞中主要定位于溶酶体。流式细胞术显示其可在光照前2小时即产生ROS，光照后作用持续6小时，显著长于Tf@AuNCs的4小时。CCK-8实验证实其暗毒性(无光照时抑制率39.1%)与光毒性(抑制率75.7%)具有协同效应。

3.4 铁死亡与凋亡协同机制
RNA测序发现p53信号通路上调。Western blotting显示该纳米簇通过p53介导的xCT下调，导致谷胱甘肽(GSH)耗竭和GPX4失活，引发脂质过氧化(丙二醛MDA水平升高3.8倍)。同时激活Bax/Caspase-3凋亡通路，流式细胞仪检测凋亡率达68.3%。

3.5 体内疗效验证
在CDX模型中，Tf@ACNCs通过EPR效应和主动靶向在肿瘤富集。小动物成像显示其光照后2小时仍维持显著ROS水平，肿瘤抑制率较传统PDT提升41.38%。免疫组化证实治疗组Cleaved-Caspase 3表达上调4.2倍，GPX4下调72%，且主要器官无病理损伤。

该研究首创性地通过金属掺杂策略在同一纳米体系中整合光动力与酶催化功能，突破了PDT的时效限制。其重要意义在于：1) 提出"ROS生成时钟"延长概念；2) 阐明铜掺杂调控电子结构的分子机制；3) 为开发自供能纳米药物提供新思路。这种"光照启动-酶催化维持"的双模设计，为实体肿瘤治疗提供了转化前景明确的解决方案。