硫化铋-二氧化钛异质结构用于光热增强声动力治疗缺氧肿瘤的研究

针对肿瘤缺氧和电子-空穴复合限制声动力治疗(SDT)疗效的难题，研究人员开发了具有光热性能的Bi2S3-TiO2异质结构纳米颗粒(NPs)，通过近红外光(NIR)增加血流改善肿瘤氧含量，同时利用异质结构促进超声(US)诱导的电子-空穴分离，实现88.82%的肿瘤抑制率，为缺氧肿瘤治疗提供新策略。

　　

肿瘤治疗领域长期面临两大挑战：缺氧微环境限制声动力治疗(SDT)疗效，以及超声诱导的电子-空穴快速复合降低活性氧(ROS)产量。全球癌症统计显示，2022年癌症死亡人数达974万，占新发病例的48.8%，亟需开发新型治疗策略。声动力治疗虽具有组织穿透深、副作用小等优势，但其疗效受制于肿瘤缺氧和半导体材料效率。

吉林农业大学的研究团队在《Materials Today Bio》发表创新成果，设计出Bi₂S₃-TiO₂异质结构纳米颗粒，通过三重机制突破现有局限：利用Bi₂S₃的光热效应增加肿瘤血流改善缺氧；借助异质结构促进超声诱导的电子-空穴分离；最终实现光热治疗(PTT)与SDT的协同增效。研究采用水热法合成PEG修饰的Bi₂S₃纳米棒（直径15.34±3.76 nm），原位生长3.54±2.73 nm厚TiO₂壳层形成异质结构，通过X射线光电子能谱(XPS)证实界面电子转移。动物实验使用BALB/c小鼠4T1肿瘤模型（肿瘤体积～80 mm³），通过Western blot、免疫荧光和TUNEL染色等系统评估疗效。

研究结果

1. 材料表征：TEM显示核壳结构，XRD证实Bi₂S₃（JCPDS 17-0320）与TiO₂（JCPDS 21-1276）共存。XPS显示Bi 4f结合能正移0.4 eV，Ti 2p负移，证实异质结构形成。

2. 性能优化：PL光谱和电化学阻抗(EIS)显示异质结构使电子-空穴分离效率提升1.42倍。Bi₂S₃-TiO₂在808 nm激光下升温32.9°C（光热转换效率35.47%），超声下ROS产量显著高于单一组分。

3. 体外疗效：4T1细胞实验显示，联合治疗组（NIR+US）细胞死亡率达62.04%，JC-1染色证实线粒体损伤严重，Western blot检测到HSP70表达上调。

4. 体内验证：NIR照射8小时后HIF-1α表达下降，肿瘤氧含量改善。联合治疗组抑制率达88.82±3.98%，显著高于单一治疗（PTT 77.49%，SDT 63.64%），H&E染色显示广泛肿瘤细胞坏死。

结论与意义

该研究创新性地将半导体异质结构设计与肿瘤微环境调控相结合：Bi₂S₃通过光热效应改善缺氧，TiO₂异质界面促进超声能量转化，二者协同使ROS产量提升42%。相较于传统氧载体递送策略，这种"治本"方法通过增加肿瘤自身供氧更可持续。研究为缺氧肿瘤治疗提供了可临床转化的纳米平台，其设计思路可拓展至其他能量转换型治疗体系，如放射动力学治疗(RDT)或化学动力学治疗(CDT)。安全性评估显示NPs对L929细胞存活率>90%，血常规和肝肾功能指标均正常，具备良好转化潜力。