重原子效应增强碳点的脂质靶向性光动力治疗诱导肿瘤铁死亡机制研究

【编辑推荐】针对肿瘤光动力治疗(PDT)中碳点(CDs)光敏剂(PSs)活性氧(ROS)产率不足及亚细胞靶向性差的问题，本研究通过重原子效应设计溴掺杂红光碳点(Br-RCDs)，实现高效单线态氧(1O2)生成和脂滴特异性靶向，证实其通过脂质过氧化(LPO)累积、GPX4蛋白下调等途径诱导铁死亡，为器官靶向型纳米光敏剂开发提供新范式。

　　

在肿瘤治疗领域，光动力疗法(PDT)因其非侵入性和时空可控性备受关注，但传统光敏剂存在活性氧(ROS)产率低、靶向性差等瓶颈。尤其当研究者试图通过PDT诱导铁死亡(一种依赖脂质过氧化LPO的细胞死亡方式)时，如何同时实现高效ROS生成和亚细胞器精准靶向成为关键科学问题。中国科学院过程工程研究所团队在《Biomaterials》发表的研究，通过巧妙的"重原子效应"纳米工程，开发出能同时攻克这两大难题的溴掺杂红光碳点(Br-RCDs)。

研究采用水热法合成氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)掺杂的红色荧光碳点(RCDs)，通过透射电镜(TEM)、光谱分析等手段表征其物理化学性质，结合细胞实验评估亚细胞定位及铁死亡相关指标(GSH消耗、GPX4表达等)，最后在异种移植瘤模型验证疗效。

【Synthesis and Characteristics of F-RCDs, Cl-RCDs and Br-RCDs】
通过苯二胺衍生物前驱体的精确调控，成功制备三种卤素掺杂RCDs。TEM显示所有RCDs均为均匀球形(直径2-4 nm)，溴掺杂使Br-RCDs具有最强的¹O₂量子产率(0.42)，较未掺杂样品提升3倍，证实重原子效应通过增强自旋轨道耦合促进系间窜越。

【Cellular uptake and subcellular localization】
共聚焦显微镜显示Br-RCDs可被细胞高效内化，并与脂滴标志物BODIPY493/503共定位，同时在细胞膜富集。这种独特的"脂质双靶向"特性使其能精准作用于铁死亡的关键场所——富含多不饱和脂肪酸的膜结构。

【PDT-induced ferroptosis】
光照下Br-RCDs引发显著的LPO累积(丙二醛水平升高5.8倍)，伴随GSH耗竭和GPX4蛋白下调(降至对照组的23%)。线粒体膜电位检测及超微结构观察显示典型铁死亡特征：线粒体嵴减少、外膜破裂。机制上，¹O₂直接氧化膜脂质，同时通过ACSL4(酰基辅酶A合成酶长链家族成员4)通路放大死亡信号。

【In vivo antitumor efficacy】
小鼠移植瘤模型中，Br-RCDs介导的PDT使肿瘤体积缩小82%，免疫组化显示GPX4表达显著抑制，且主要脏器无病理损伤，证实其良好生物相容性。

该研究首次将重原子效应与亚细胞靶向策略协同应用于碳点光敏剂设计，突破传统PDT效率瓶颈。Br-RCDs通过"双管齐下"的作用机制——物理增强的¹O₂生成与化学特异的脂质靶向，为铁死亡介导的肿瘤治疗提供新型纳米工具。其意义不仅在于开发出高效低毒的光敏剂，更开创了"原子级精准掺杂-细胞器靶向-死亡通路调控"的多层次纳米药物设计范式，为下一代智能抗肿瘤制剂研发指明方向。