掺杂锌铁氧体纳米颗粒的抗癌选择性：对人乳腺（MCF-7）和肺癌（A549）细胞的比较研究

《Chemosphere》：Selective anticancer activity of doped zinc ferrite nanoparticles: A comparative study on human breast (MCF-7) and lung (A549) cancer cells

本研究系统探究了铝、镍、钴和银掺杂锌铁氧体纳米粒子的抗癌活性。结果表明，银掺杂ZnFe2O4（SZF）纳米粒子对A549（7.17 μg/mL）和MCF-7（41.30 μg/mL）癌细胞具有显著选择性毒性，通过增强氧化应激、诱导细胞凋亡及抑制迁移实现，且对正常L929细胞影响较小（LC50=172.90 μg/mL）。物化表征证实SZF具有7.6 nm纳米晶粒和掺杂诱导的结构扰动。

　　

B. Jyothish|John Jacob

物理系，Sree Narayana College，Sivagiri，Varkala，Thiruvananthapuram，Kerala，邮编695015，印度

摘要

本研究系统地探讨了掺铝（AZF）、镍（NZF）、钴（CZF）和银（SZF）的锌铁氧体（ZnFe₂O₄）纳米颗粒的抗癌潜力，旨在确定最有效的癌症治疗配方。通过对A549（肺细胞）、MCF-7（乳腺细胞）和L929（正常成纤维细胞）细胞系的选择性指数和细胞毒性筛选，发现掺银的锌铁氧体（SZF）是最优候选者。SZF在A549细胞中的LC₅₀值为7.17 μg/mL，在MCF-7细胞中为41.30 μg/mL，而在L929细胞中的LC₅₀值为172.90 μg/mL，表明其具有显著的抗癌选择性细胞毒性。使用XRD、FE-SEM、UV–Vis光谱和Williamson–Hall分析进行的物理化学表征证实了其相纯度、纳米级晶粒尺寸（SZF为7.6 nm）以及掺杂引起的微小结构扰动。生物学评估显示，SZF引起了显著的氧化应激，A549细胞中的ROS水平增加了3.4倍，MCF-7细胞中增加了12.4倍。这种氧化负担与抗氧化酶活性的显著变化相关，包括A549细胞中过氧化氢酶的抑制和MCF-7细胞中过氧化氢酶的升高。流式细胞术显示细胞周期停滞，主要发生在A549细胞的G0/G1期和MCF-7细胞的G2/M期，表明存在细胞系特异性的检查点反应。Annexin-V检测确认细胞死亡的主要方式为凋亡。此外，伤口愈合实验表明SZF显著抑制了两种癌细胞的迁移，表明其具有潜在的抗转移活性。综上所述，结果表明SZF纳米颗粒是一种有前景的多功能抗癌剂，通过产生ROS、细胞周期停滞、诱导凋亡和抑制迁移来发挥选择性细胞毒性。

引言

纳米技术这一蓬勃发展的领域彻底改变了材料科学，尤其是纳米铁氧体的出现——这类磁性材料因其多样的应用而受到广泛关注，从数据存储和磁制冷到先进的药物输送和生物传感（Wang等人，2024年）。其中，尖晶石铁氧体凭借其独特的物理化学性质，在包括生物医学和光催化在内的多个领域展现出巨大潜力（Alvarado-Leal，2023年）。它们的多功能性源于可调节的晶格结构，可以策略性地引入金属离子，从而影响基本性质。引入第三种金属离子（如Ni²⁺或Al³⁺）会直接改变离子分布，进而影响材料的整体特性（B. Sandeep等人，2019年）。

锌铁氧体纳米颗粒作为尖晶石铁氧体的一个关键子类，因其广泛的应用范围而受到认可（B. Jyothish等人，2023年）。它们的纳米级尺寸在生物学环境中特别有利，能够与生物分子高效相互作用，而这对于块状材料来说是具有挑战性的（E. Sarala M等人，2020年）。这种纳米化处理本质上改变了基本的光学、化学、电学和磁学性质，赋予纳米颗粒在生物系统内进行新型相互作用的关键特性（Jiang等人，2024年）。

纳米颗粒在癌症治疗中的治疗潜力是一个迅速扩展的领域。与传统药物相比，纳米颗粒具有显著优势，包括增强的药物输送、更好的靶向性和更高的治疗效果（Wang等人，2024年）。它们可定制的尺寸、形状和表面化学性质使得可以设计出专门针对癌细胞的药物输送系统，减少对健康组织的损伤，改善治疗效果，并减轻传统化疗的严重副作用。此外，纳米颗粒可以被设计成共同输送多种治疗剂，为解决癌症的复杂性开辟了先进的联合疗法途径（Reiisi等人，2025年）。

在这种情况下，各种掺金属的锌铁氧体提供了定制的功能。例如，银纳米颗粒表现出强大的抗菌性能，这主要是由于Ag⁺离子与细菌膜的相互作用，当与其他金属（如锌）结合时，这种协同作用增强了活性氧（ROS）的生成（Amiri Z等人，2025年）。重要的是，银纳米颗粒还表现出有希望的抗癌活性，甚至对多重耐药癌细胞也有效，可能是通过调节P-糖蛋白实现的，并且通常对恶性细胞表现出选择性毒性（Shoueir等人，2019年）。同样，基于钴的纳米颗粒因其用于波导和磁记录的实用性而受到关注，通过Co²⁺离子的引入改变了晶格参数，增加了对光催化至关重要的氧空位（George等人，2021年）。基于锌的纳米颗粒的固有半导体性质允许产生ROS（Liu等人，2020年），这种细胞毒性机制可以通过引入缺陷（如铝（Al³⁺）掺杂）得到显著增强。铝的掺入降低了晶格常数并增加了表面电子-空穴对密度，从而调节带隙能量并通过增加ROS的产生来增强细胞毒性（Kumawat等人，2022年）。基于镍的纳米结构也受到关注，锌铁氧体与镍等离子的掺杂被探索用于调节生物性质（B. Jyothish等人，2021年）。镍离子因其相似的价态和离子半径而特别适合增强特定功能。虽然关于它们对人类癌细胞系的细胞毒性的研究仍在进行中，但了解它们的影响至关重要，特别是考虑到抗氧化剂在减轻自由基引起的氧化损伤中的作用（Khalighi N等人，2025年）。

为了严格评估这些掺杂纳米颗粒的治疗潜力，广泛认可的人类癌细胞系MCF-7（雌激素受体阳性乳腺腺癌）和A549（肺癌）是不可或缺的体外模型（Taghipour F等人，2025年）。这些细胞系有助于全面研究癌细胞的增殖、侵袭、转移和治疗反应。

基于这一基础，我们的研究旨在系统地探讨各种金属阳离子掺杂剂（特别是镍（Ni）、铝（Al）、钴（Co）和银（Ag）对锌铁氧体纳米颗粒基本性质的影响，特别关注提高其抗癌效果。我们的最初目标是通过评估每个掺杂样品的选择性指数（SI）来确定最佳掺杂元素。然后选择SI值最高的样品进行严格的深入表征，采用多方面的方法。这种综合评估包括通过凋亡检测、ELISA分析、细胞周期分析、活性氧（ROS）生成量和RT-qPCR分析来评估抗癌性质。这种综合方法使我们能够准确识别出最有效的锌铁氧体纳米颗粒掺杂元素，并确定对这种优化纳米颗粒配方反应最明显和最有利的癌细胞系（A549或MCF-7）。

部分摘录

化学品和试剂

硝酸盐（硝酸锌、硝酸铁、硝酸银、铝/镍/钴前体）、聚乙二醇（PEG）、氢氧化钠，以及所有细胞培养和检测试剂（DMEM、胎牛血清、抗生素、MTT、DCFDA、Annexin V、Propidium Iodide、Trizol和cDNA合成试剂），以及它们的来源/供应商和分析级或细胞培养级。

铝/镍/银/钴掺杂的ZnFe₂O₄纳米颗粒的制备与分析

使用高纯度的锌、铁和银硝酸盐来合成铝/镍/银/钴掺杂的ZnFe₂O₄

使用XRD、FE-SEM和UV分析研究ZF、AZF、NZF、SZF和CZF纳米颗粒的结构、形态和光学性质

表1展示了掺铝（Al）、镍（Ni）、银（Ag）和钴（Co）的锌铁氧体（ZF）及其衍生物的结构和微观结构性质的比较分析。数据包括晶粒尺寸、晶格常数、单位晶胞体积、X射线密度和微应变等关键参数。使用Scherrer方程确定的晶粒尺寸在样品间存在显著差异。图1显示，掺银的ZF（SZF）具有最小的晶粒尺寸（7.6 nm），而掺铝的ZF（AZF）和

结论

本研究表明，掺杂显著改变了锌铁氧体纳米颗粒的物理化学和生物行为，其中掺银的锌铁氧体（SZF）是最有前景的抗癌配方。在所有掺杂剂中，SZF表现出最高的选择性指数，表明其对癌细胞的毒性明显高于正常成纤维细胞。其增强的抗癌效果得到了强大的ROS诱导、凋亡激活和过氧化氢酶抑制的支持

CRediT作者贡献声明

B. Jyothish：撰写——原始草稿、方法论、研究、概念化。John Jacob：监督、方法论、概念化。

AI辅助声明

使用了AI驱动的工具，特别是ChatGPT（OpenAI）和Gemini（Google），来提高本手稿的语言质量，包括语法和句子结构的修正。此外，这些工具在生成想法和完善图形摘要的视觉元素方面提供了帮助。所有AI辅助的使用都经过了作者的仔细审查和编辑，作者对最终发布的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢Kerala大学Karyavattom的液晶研究中心（CLIF）和Thiruvananthapuram的国家细胞科学中心（NCCS）提供的支持。我们衷心感谢Rajesh Ramachandran博士和Nithin Vijayakumar博士（分子和细胞科学研究中心 - CRMAS）在生物学方面的宝贵指导和专业知识。