核心主旨与研究背景#

本研究成功开发了一种硫介导空心工程策略，一步水热法合成了具有约 200 纳米均匀空心立方体结构的 S-FeSe₂/CuCoSe₂ 异质结纳米酶。该纳米酶在第二近红外窗口（NIR-II，1064 纳米）表现出高达 56.1% 的光热转换效率（PCE），且其类过氧化物酶（POD）、类氧化酶（OXD）和类谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）等多重酶催化活性均得到显著提升。在细胞与动物实验中，该纳米酶展现出极低的正常细胞毒性，并在光照下通过诱导活性氧（ROS）爆发和线粒体损伤，高效消灭肿瘤细胞，实现了光热与酶催化的协同抑癌效果。

癌症依然是威胁人类健康的重大难题。近年来，利用人工合成的纳米酶（具有类似天然酶催化活性的纳米材料）来调控肿瘤微环境（TME）进行催化治疗备受关注。这类治疗主要利用肿瘤内部过量存在的化学物质（如过氧化氢），将其催化转化为毒性极高的活性氧自由基，从而精准诱导癌细胞凋亡。过渡金属硫属化合物（TMC）因含有可变价态的金属离子，能够触发类 Fenton 反应，成为纳米酶领域的明星材料。然而，传统单一功能纳米酶的催化效率有限，且单纯依赖化学催化难以彻底清除肿瘤。将光热治疗与催化治疗相结合成为破解这一瓶颈的关键路径，但现有大部分光热剂仅响应穿透力较较弱的第一近红外光（NIR-I），难以触及深部肿瘤。因此，开发能够响应穿透力更强、组织散射更低的第二近红外光（NIR-II），且同时具备高催化活性和独特空心结构的异质结纳米酶，具有重要的临床前研究价值。

研究目标与创新突破#

本次研究的核心目标是解决传统纳米酶催化活性不足、光热转换效率偏低以及光响应波长较短的问题。作者团队致力于探索一种简便的合成工艺，在构筑异质结界面的同时，引入阴离子掺杂以同步调控材料的微观形貌与电子结构，从而打造出兼具高光热性能与多重活性氧产生能力的高效抗癌纳米平台。

相比于过往的同类研究，本项工作的核心创新优势体现在三个方面。第一，形态与结构的双重调控：利用硫（S）元素的引入，触发了典型的柯肯达尔效应（Kirkendall effect，即两种原子扩散速率不匹配导致的空洞形成机制），将原本实心的纳米结构改造成了均匀的空心立方结构，大幅增加了材料的比表面积并暴露了更多活性位点。第二，光热性能的显著跃升：阴离子掺杂在带隙中引入了中间能级，结合空心腔体内近红外光的多次反射吸收，将材料在 1064 纳米处的光热转换效率由原始异质结的 33.7% 提升至 56.1%。第三，多酶样活性的全面增强：硫掺杂优化了金属离子的电子云密度，增加了硒空位，使类过氧化物酶活性的米氏常数（$K_m$）降至 0.28 mM（原始组为 0.54 mM，数值越小代表与底物亲和力越强），最大反应速率（$V_{max}$）提升至 43.8 nM/s（原始组为 27.3 nM/s），同时显著增强了耗竭肿瘤内抗氧化物质谷胱甘肽（GSH）的能力。

Fig.1 Characterization of S-FeSe2/CuCoSe2 nanozymes. (a) SEM image, (b) TEM image, (c) EDS line scanning along the red arrow marked in (b), (d) elemental mapping spectra, (e) XRD spectra, (f) HR-TEM image and (g–i) XPS spectra (Fe 2p, Cu 2p, Co 2p, Se 3d and S 2p).

实施过程与作用机制#

在实验实施层面，研究团队采用了简洁的一步水热合成法。首先让铁、铜、钴金属离子与硒源在温和反应条件下成核，形成实心的硒化物立方体；随后引入外源硫离子，由于内部硒离子的向外扩散速度快于外部硫离子的向内渗透速度，在颗粒内部逐渐聚集并演变为完整的空心腔体，最终获得了元素均匀分布的 S-FeSe₂/CuCoSe₂ 异质结纳米颗粒。

为了验证该材料的作用机制，研究团队通过多种物理化学手段对材料进行了深度剖析。X 射线光电子能谱（XPS）等分析表明，硫掺杂有效提升了材料中高活性价态金属离子（高价铁、高价铜和高价钴）的比例，为其高氧化还原活性奠定了基础；电子自旋共振（ESR）光谱则证实硫掺杂引发了大量的硒空位，这些缺陷位点直接充当了催化反应的活性中心。当纳米颗粒进入肿瘤细胞后，一方面利用其出色的 NIR-II 光吸收性能，在 1064 纳米激光照射下快速产生局部高热（200 ppm 浓度的纳米酶在 1.0 W/cm² 功率下可使温度升至 77.6°C），实现物理光热消融；另一方面，高温能进一步加速纳米酶的类过氧化物酶和类氧化酶催化速率，将肿瘤内高表达的过氧化氢转化为高毒性的羟基自由基和超氧阴离子，同时通过类谷胱甘肽过氧化物酶活性快速消耗肿瘤细胞自带的抗氧化防御分子 GSH，造成细胞内氧化应激爆发与线粒体损伤。

Fig.2 Photothermal performance, POD-, OXD- and GPx-like catalytic activity of S-FeSe2/CuCoSe2 nanozymes. (a) Scheme of photothermal and multi-enzymatic activities, (b) Temperature change profiles of S-FeSe2/CuCoSe2 nanozymes with different power density, (c) Corresponding infrared thermal images of (b), (d) Heating-cooling curves of FeSe2/CuCoSe2 and S-FeSe2/CuCoSe2 nanozymes, (e) Photothermal stability test, UV–vis spectra for (f) TMB oxidation and (g) OPD oxidation with different reaction time, (h) Lineweaver-Burk fitting curves of FeSe2/CuCoSe2 and S-FeSe2/CuCoSe2 nanozymes. Results are presented as mean ± SD (n = 3), (i) UV–vis spectra for DPBF oxidation with different time, (j) Time dependent GSH consumption test and (k) Comparison of OXD- and GPx-like activities between FeSe2/CuCoSe2 and S-FeSe2/CuCoSe2 nanozymes. Results are presented as mean ± SD (n = 3). No significance p > 0.05, * p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001, **** p < 0.001.

数据解读与核心结论#

实验数据直观反映了 S-FeSe₂/CuCoSe₂ 纳米酶的优异性能。在光热测试中，该材料展现出良好的循环光热稳定性，经历 4 次连续的升温-降温循环后无明显降解。在酶促动力学分析中，使用经典显色底物 TMB 和 OPD 验证了其卓越的类过氧化物酶活性，且该催化过程表现出显著的酸性环境依赖性，这意味着它能在呈弱酸性的肿瘤微环境中精准激活，而在正常生理环境下保持相对惰性。

在细胞水平的体外抗肿瘤实验中，材料表现出良好的生物相容性，即使在 200 μg/mL 的高浓度下对 L929 正常细胞也几乎无毒。然而在 4T1 癌细胞中，配合外源过氧化氢模拟肿瘤微环境，纳米酶催化产生的活性氧显著降低了癌细胞存活率；当联合 1064 纳米激光照射时，诱导了高达 75.4% 的 4T1 癌细胞发生凋亡。小鼠体内 4T1 肿瘤模型进一步证实，协同治疗组小鼠的肿瘤生长受到了极其显著的抑制，且在整个治疗周期内小鼠体重保持稳定，主要脏器切片未见明显病理损伤，展现了极高的抗肿瘤疗效与良好的体内安全性。

Fig.3 In vitro therapeutic evaluation. (a) Schematic illustration of the anti-tumor mechanism. (b) Quantitative viability of 4T1 and L929 cells with different concentrations of S-FeSe2/CuCoSe2 nanozymes. Results are presented as mean ± SD (n = 6). (c) Cell viability of 4T1 cells with different groups. Results are presented as mean ± SD (n = 6). (d) Live/dead cell staining (PI: red, dead cells, Ca-AM: green, live cells), (e) Flow cytometry using Annexin-V-FTIC/PI assay, (f) Intracellular ROS level detection via DCFH-DA fluorescence staining, (g) Mitochondrial morphology analysis, and (h) JC-1 staining for mitochondrial membrane potential (Δψm) assessment. No significance p > 0.05, * p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001, **** p < 0.001.

Fig.4 In vivo antitumor effects of S-FeSe2/CuCoSe2 nanozymes, (a) In vivo therapeutic schedule, (b) Infrared thermal images from tumor-bearing mice, (c) Temperature curves of tumor sides. Results are presented as mean ± SD (n = 3). (d) Body weight. Results are presented as mean ± SD (n = 3). (e) Tumor relative volume changes during the therapeutic period. Results are presented as mean ± SD (n = 5). (f) Digital photographs of dissected tumor tissues on day 14th and (g) H&E, TUNEL, and Ki67 staining of tumor from different treatments on day 14th. No significance p > 0.05, * p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001, **** p < 0.001.

应用价值、局限与未来拓展#

本项研究在理论与应用层面均具有重要意义。在理论层面，它成功确立了硫介导空心工程这一新范式，阐明了阴离子掺杂与空心异质结在光热及催化协同调控中的底层机制；在应用层面，该纳米酶兼具 NIR-II 高效光热治疗与多重温敏型催化治疗能力，能够有效打破肿瘤微环境中高 GSH 导致的耐药屏障，为开发新型多功能肿瘤诊疗纳米平台提供了实用的设计参考。

客观来看，该研究仍存在一定的局限性。首先，目前的研究主要基于皮下移植瘤模型，对于组织深度更深、微环境更为复杂的原位肿瘤或转移瘤模型的疗效仍待进一步验证；其次，纳米材料在体内的长期代谢动力学、器官累积安全性以及降解产物的排泄途径还需要更为系统深入的毒理学评价；最后，一步水热法在放大生产过程中的批次间一致性控制也是未来走向临床转化必须面对的工艺课题。作者团队指出，未来的工作将聚焦于进一步优化该纳米酶的表面修饰以增强靶向性，并结合现代影像技术实现“诊疗一体化”，拓展其在更多难治性肿瘤及深部病变中的应用潜力。