缺陷工程化声压电纳米片实现无牺牲剂自循环过氧化氢生成增强泛催化肿瘤治疗

　　本研究针对肿瘤微环境中H2 O2 供应不足限制声催化治疗效果的关键问题，创新性地设计出硫缺陷ZnIn2 S4 纳米片（Sv-ZIS NSs）。该材料通过声压电效应实现原位H2 O2 自供给，并借助过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）模拟活性实现自消耗，形成"三合一"ROS累积策略。研究证实该材料可诱导PANoptosis（泛凋亡），为深部肿瘤治疗提供了新范式。

　　

在肿瘤治疗领域，活性氧物种（ROS）犹如一把双刃剑——低浓度促进肿瘤生长，高浓度则能诱导细胞死亡。然而肿瘤微环境（TME）中H₂
O₂
的供应不足且不稳定，严重制约了声催化治疗的疗效。传统解决方案如外源补充H₂
O₂
存在靶向性差、易泄漏损伤正常组织等问题，而葡萄糖氧化酶等内源生成策略又受限于TME中缺氧和葡萄糖匮乏的恶劣条件。更棘手的是，现有研究多聚焦单一细胞死亡途径，而肿瘤细胞死亡往往涉及多通路协同作用。

针对这些挑战，上海大学的研究团队创新性地设计出硫缺陷ZnIn₂
S₄
纳米片（Sv-ZIS NSs），通过"自给自足"的H₂
O₂
循环机制和多重细胞死亡通路激活，实现了高效的泛催化肿瘤治疗。这项突破性研究成果发表在《Cell Biomaterials》上。

研究团队采用高温煅烧法制备Sv-ZIS NSs，通过透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等确认材料特性；利用密度泛函理论（DFT）计算揭示硫空位形成机制；采用压电力显微镜（PFM）评估压电性能；通过RNA测序（RNA-seq）和蛋白质印迹（WB）分析细胞死亡机制；建立4T1小鼠肿瘤模型验证体内疗效。

【合成与结构表征】通过250℃煅烧成功制备厚度约1.2 nm的Sv-ZIS NSs，XPS和电子顺磁共振（EPR）证实硫空位存在，且主要位于与In键合的硫原子位点。

【理论计算分析】DFT计算表明硫空位显著改变电子分布，Sv(In-S)-ZIS结构最稳定，其适中的OH和OOH吸附自由能最有利于2e-ORR和2e-WOR反应生成H₂
O₂
。

【电子特性】硫空位使带隙从2.30 eV降至2.13 eV，压电系数d₃₃
从94.91提升至138.11 pm/V，增强声压电效应。

【声压电催化性能】超声（US）作用下Sv-ZIS产生大量·OH和¹
O₂
，ESR检测到特征信号；GSH消耗实验显示其显著破坏肿瘤抗氧化防御。

【多酶模拟活性】Sv-ZIS展现pH依赖性POD样活性（最佳pH4.5）和高效CAT样活性，动力学参数显示其对H₂
O₂
的亲和力（K_m
=18.847 mM）和催化效率（V_max
=43.844×10^-9
M s^-1
）显著优于ZIS。

【体外抗肿瘤效应】Sv-ZIS+US组细胞存活率仅18.15%，JC-1检测显示线粒体膜电位显著下降，流式细胞术检测凋亡率达44.2%，ATP含量急剧降低。

【细胞毒性机制】RNA-seq分析发现10,814个差异表达基因，涉及凋亡（Bax上调、Bcl2下调）、焦亡（GSDMD切割）和坏死性凋亡（MLKL磷酸化）通路。WB验证PANoptosis关键蛋白表达变化。

【体内抗肿瘤效果】Sv-ZIS+US组肿瘤抑制率达81.27%，生存期显著延长，TUNEL和Ki-67染色显示显著细胞死亡和增殖抑制。

这项研究开创性地将缺陷工程、声压电催化和多酶模拟活性整合于单一纳米平台，实现了H₂
O₂
的自循环供给和多重细胞死亡通路协同激活。其重要意义在于：1）突破TME限制实现持续ROS生成；2）通过PANoptosis克服单一死亡通路的局限性；3）为深部肿瘤治疗提供非侵入性解决方案。该研究不仅推动了声压电纳米酶的设计，也为开发高效协同肿瘤疗法奠定了理论基础。