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林君/马平安/丁彬彬团队Angew:硫空位优化ZnIn2S4压电纳米片实现多途径诱导ROS风暴以增强肿瘤免疫治疗

来源:化学加APP      2025-06-15
导(dao)读:压(ya)电催(cui)化(hua)(hua)(hua)疗法是(shi)一种(zhong)新型的(de)(de)(de)治疗策略(lve),它使用机械能(neng)驱(qu)动催(cui)化(hua)(hua)(hua)反应以(yi)(yi)产生细(xi)(xi)胞毒性(xing)活性(xing)氧物种(zhong)(ROS)。但是(shi),现有(you)(you)材料(liao)受到(dao)固有(you)(you)催(cui)化(hua)(hua)(hua)效率低和(he)ROS产生途径单一等限制(zhi),使得其难以(yi)(yi)突(tu)破肿(zhong)瘤(liu)(liu)(liu)微环境(jing)的(de)(de)(de)抗氧化(hua)(hua)(hua)屏(ping)障,从而严重限制(zhi)了(le)抗肿(zhong)瘤(liu)(liu)(liu)效果。鉴(jian)于此(ci),中国科学(xue)(xue)院长春应用化(hua)(hua)(hua)学(xue)(xue)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)所林君研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)员、马平安研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)员和(he)丁彬彬副研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)员团(tuan)队通过调(diao)节硫代(dai)乙酰胺(an)(TAA)浓度,合(he)成了(le)硫空位(Sv)优化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)ZnIn2S4纳米片(ZIS-2/4/8)。Sv浓度变化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)同(tong)时实(shi)现了(le)能(neng)带结构的(de)(de)(de)优化(hua)(hua)(hua)和(he)压(ya)电性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)增强。在超声(US)作(zuo)用下,Sv-ZIS可以(yi)(yi)通过多(duo)种(zhong)途径产生ROS风(feng)暴,包括(kuo)•O2-、1O2、•OH和(he)H2O2,有(you)(you)效地(di)打破了(le)肿(zhong)瘤(liu)(liu)(liu)微环境(jing)的(de)(de)(de)抗氧化(hua)(hua)(hua)屏(ping)障,实(shi)现了(le)高效肿(zhong)瘤(liu)(liu)(liu)细(xi)(xi)胞杀伤。此(ci)外,US诱导(dao)的(de)(de)(de)ROS风(feng)暴还可以(yi)(yi)引发免(mian)(mian)疫原性(xing)细(xi)(xi)胞死亡(ICD),促进树(shu)突(tu)状细(xi)(xi)胞(DCs)的(de)(de)(de)成熟和(he)CD8+ T细(xi)(xi)胞的(de)(de)(de)浸(jin)润,展(zhan)现出压(ya)电催(cui)化(hua)(hua)(hua)与免(mian)(mian)疫疗法相(xiang)(xiang)结合(he)的(de)(de)(de)优势。相(xiang)(xiang)关工作(zuo)以(yi)(yi)“Multi-Path ROS Storm and Immune Activation via Sulfur Vacancy Optimized ZnIn2S4 Nanosheets for Piezocatalytic Tumor Therapy”为题(ti)发表在期(qi)刊(kan)Angewandte Chemie International Edition上。

研究背景

压电(dian)催化治疗(liao)利用机械能(neng)(neng)驱动催化反应来(lai)产生细胞毒性ROS,由于其高(gao)组织穿透以及精准的能(neng)(neng)量转化,有望替代(dai)传统的治疗(liao)方式。然而,传统的压电(dian)材料在实(shi)(shi)际应用过程中(zhong)容易受到带(dai)隙较大、载流子复合速度(du)快、本征(zheng)压电(dian)性能(neng)(neng)低以及对(dui)单(dan)途径ROS生成途径依赖的限制。因此,迫切需要(yao)开发能(neng)(neng)够通过多途径产生大量ROS的压电(dian)催化材料,以实(shi)(shi)现高(gao)效(xiao)肿瘤压电(dian)催化治疗(liao)。

本文亮点

Sv缺陷(xian)工程设计(ji)

通过调控合成(cheng)过程中(zhong)硫(liu)源(yuan)TAA的浓度以调节ZIS纳(na)米(mi)片中(zhong)的Sv含量(liang)。Sv含量的改变不仅优化(hua)了(le)ZIS的能(neng)带结构,还进一步破坏了(le)晶(jing)体对称性,增(zeng)强(qiang)了(le)压(ya)电(dian)性能(neng)。

多途径ROS产生(sheng)

优化后的ZIS纳米片通过在US激发下产生关键ROS中(zhong)间体•O2-,进而产生1O2、H2O2和•OH。

此外,能带(dai)结构(gou)的调整使其可以直接氧化(hua)H2O产生•OH。这种多途径ROS的产生(sheng)打(da)破(po)了传统声敏剂单一ROS产生(sheng)路径的限(xian)制。

免疫系统激(ji)活(huo)

体(ti)内(nei)研究表明,压电催(cui)化产(chan)生的ROS介导的ICD促进(jin)了DCs成熟和(he)CD8+ T细胞浸润,在(zai)机(ji)械能(neng)转换(huan)和抗肿瘤免疫之间(jian)建立了桥梁。

图文解析

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图(tu) 1. ZnIn2S4作用机(ji)理图。在(zai)水热合成(cheng)过(guo)程中,通过(guo)调(diao)节TAA的浓度实现了梯度 Sv浓度。在US作(zuo)用下,纳米(mi)片的机械变(bian)形会产生压(ya)电场(chang),使能带结构倾斜,从而增强(qiang)e--h+对(dui)分离,并(bing)驱(qu)动多(duo)途径(jing) ROS 生成(•O2-1O2、•OH和H2O2)。US触发的(de)ROS风暴有效诱导(dao)线粒体膜(mo)电(dian)位下(xia)降(jiang)和细胞凋(diao)亡,同(tong)时(shi)释放ICD标志(zhi)物。这些 ICD 信号(hao)可招募(mu)和激活DCs,促(cu)进抗(kang)原呈递和 CD8⁺ T 细胞浸(jin)润。

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图 2. ZnIn2S4纳米(mi)片(pian)的合成及表征。材(cai)料的基本表征(zheng)证明了(le)ZnIn2S4纳米片(pian)的成(cheng)功合成(cheng)。随着TAA浓度(du)的改变,纳米片(pian)的厚度(du)和Sv含量发生了改变(bian)。

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图 3. ZnIn2S4纳米片的基本表征。Sv含量改变优化了材料的能(neng)带结(jie)构,抑制了载流子复(fu)合。PFM证明了纳米片厚度(du)和Sv含量的(de)改变增强了(le)ZIS的(de)压电性能。

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图 4. ZnIn2S4纳(na)米片的ROS产生性能(neng)表征。探针和ESR表征证(zheng)明了ZIS-8在US在超声作用下可(ke)以有效产生多种ROS。

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图 5. 细(xi)胞层面(mian)表(biao)征。ZIS-8在US作用下可以有效产生ROS来杀伤肿瘤(liu)细(xi)胞。同时,还能(neng)够(gou)引起免疫原性(xing)细(xi)胞死亡。

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图(tu) 6. 体内抗肿瘤实验。体内实(shi)验(yan)证实(shi)了ZIS-8+US治疗组可以有(you)效抑制肿瘤的生长(zhang)。

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图 7. 体(ti)内免(mian)疫(yi)激活效(xiao)果。

总结与展(zhan)望

在本(ben)研究中,我们证(zheng)明了硫(liu)空位优化ZnIn2S4压电(dian)纳米片可通过增(zeng)强的(de)压电(dian)催(cui)化特性(xing)和多(duo)途径 ROS 生成能力实(shi)现高效肿瘤杀伤作用。通过控制Sv的浓度,优化了能带(dai)结构(gou),并显著提高了压电系数d33。实现(xian)通过多种途径高效生成(cheng)大(da)量 ROS,包括•O2-1O2、•OH和H2O2。该多途径(jing) ROS 生成(cheng)(cheng)机(ji)(ji)制不仅克(ke)服了肿(zhong)瘤微(wei)环境的限(xian)制,还(hai)成(cheng)(cheng)功诱导了 ICD,从(cong)而(er)引发一(yi)系列的的免疫反(fan)应(ying),包括 DCs 成(cheng)(cheng)熟(shu)和 CD8⁺ T 细胞浸(jin)润。这项工作提出了有效增(zeng)强压电材(cai)料治疗肿(zhong)瘤效果的策略方法,也为无(wu)机(ji)(ji)压电材(cai)料的设计提供了新的思路。


作者简介

丁彬彬,中(zhong)国科学(xue)(xue)(xue)院长春(chun)应用(yong)化学(xue)(xue)(xue)研究所(suo)副研究员,国家优秀青(qing)年基金获得者(2024年),吉林省(sheng)“长白(bai)英才(cai)计划”青(qing)年拔尖人才(cai)(2024年),吉林省(sheng)高(gao)层次(ci)人才(cai)(C类,2025年)。2015年本科毕业于合肥(fei)工(gong)(gong)业大学(xue)(xue)(xue),2020年博士毕业于中(zhong)国科学(xue)(xue)(xue)院长春(chun)应用(yong)化学(xue)(xue)(xue)研究所(suo),后留所(suo)工(gong)(gong)作至今。主(zhu)要研究工(gong)(gong)作聚焦于肿瘤免疫调控无机纳米材(cai)料,目前(qian)已发表论(lun)文(wen)80余篇,他引5000余次(ci)(h指数38),其中(zhong)以第(di)一/通讯作者在Acc. Chem. Res.Adv. Mater.(3篇(pian))、J. Am. Chem. Soc.(3篇)、Angew. Chem. Int. Ed.(9篇)等(deng)杂志上(shang)发表论文50余(yu)篇,申请(qing)中国发明专利10余(yu)项(xiang)(xiang)(授权7项(xiang)(xiang))。主持包括国家(jia)自然(ran)科(ke)学(xue)基金(jin)优秀青年基金(jin)/面上(shang)项(xiang)(xiang)目(mu)、博新计划等(deng)项(xiang)(xiang)目(mu)9项(xiang)(xiang),作(zuo)为核(he)心骨干参与国家(jia)重点研发计划2项(xiang)(xiang)。获吉林省(sheng)自然(ran)科(ke)学(xue)一等(deng)奖(2022年)和(he)中国科(ke)学(xue)院(yuan)院(yuan)长特(te)别奖(2020年)等(deng)奖励。担任中国稀土学(xue)会(hui)发光专业委(wei)(wei)员(yuan)会(hui)委(wei)(wei)员(yuan),Exploration期刊学(xue)术(shu)编辑以及Chin. Chem. Lett.Asian. J. Pharm. Sci.IMed等(deng)期刊青年编委。

马平安,中国(guo)科学(xue)院长春应(ying)用(yong)化(hua)学(xue)研(yan)(yan)究所,研(yan)(yan)究员(yuan),博士(shi)生导师(shi),国(guo)家优秀青(qing)年基金获得者 (2019),中国(guo)-白俄(e)罗斯先进材料与制造一带一路联合实(shi)验室行(xing)政(zheng)副主任(ren),吉林省中青(qing)年科技创新(xin)团队负责人。研(yan)(yan)究方向为无机(ji)纳(na)米生物医用(yong)材料。近5年来(lai),在Adv. Mater.Angew. Chem. Int. Ed.J. Am. Chem. Soc.Adv. Funct. Mater.ACS Nano等(deng)期刊发(fa)表SCI论文90余篇,15篇入选(xuan)ESI高被(bei)引论文,H因子60,申请发(fa)明专(zhuan)(zhuan)利10余项(xiang)。获得吉(ji)林省自(zi)然(ran)科(ke)(ke)学一(yi)等(deng)奖(2022,排名第1)等(deng)科(ke)(ke)研奖励(li)6项(xiang),主(zhu)持国(guo)(guo)家重点研发(fa)计划(hua)(课(ke)题)、国(guo)(guo)家自(zi)然(ran)科(ke)(ke)学基金等(deng)科(ke)(ke)研项(xiang)目10余项(xiang)。担任(ren)中(zhong)国(guo)(guo)稀土(tu)学会(hui)发(fa)光(guang)专(zhuan)(zhuan)业(ye)委(wei)员(yuan)会(hui)秘书(shu)长(zhang)、稀土(tu)晶体(ti)专(zhuan)(zhuan)业(ye)委(wei)员(yuan)会(hui)委(wei)员(yuan)、中(zhong)国(guo)(guo)核学会(hui)锕(a)系物理与化(hua)学分会(hui)理事、中(zhong)国(guo)(guo)生物材料(liao)(liao)学会(hui)纳(na)米生物材料(liao)(liao)分会(hui)委(wei)员(yuan)、吉(ji)林省细(xi)胞生物学会(hui)常务理事、吉(ji)林省化(hua)学学会(hui)理事,及Chinese Chem. Lett.Nano Res. 、BME Mat等(deng)期(qi)刊(kan)编委/青(qing)年编委等(deng)。

林君(jun),中(zhong)(zhong)国(guo)(guo)(guo)(guo)科(ke)学(xue)(xue)(xue)(xue)院长春应用化(hua)学(xue)(xue)(xue)(xue)研究所研究员,博(bo)士(shi)生(sheng)(sheng)(sheng)导师,国(guo)(guo)(guo)(guo)家杰(jie)出(chu)(chu)青年(nian)(nian)基(ji)金获得(de)者,美国(guo)(guo)(guo)(guo)医学(xue)(xue)(xue)(xue)与生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)工程学(xue)(xue)(xue)(xue)会会士(shi),英(ying)国(guo)(guo)(guo)(guo)皇(huang)家化(hua)学(xue)(xue)(xue)(xue)会会士(shi),万人(ren)(ren)计划科(ke)技创(chuang)新(xin)领军人(ren)(ren)才,科(ke)技部重点领域(yu)创(chuang)新(xin)团队负(fu)责人(ren)(ren),长白山杰(jie)出(chu)(chu)人(ren)(ren)才,中(zhong)(zhong)国(guo)(guo)(guo)(guo)稀土(tu)学(xue)(xue)(xue)(xue)会发光专业委员会主(zhu)任,中(zhong)(zhong)国(guo)(guo)(guo)(guo)稀土(tu)学(xue)(xue)(xue)(xue)报(bao)(中(zhong)(zhong)英(ying)文版)和(he)发光学(xue)(xue)(xue)(xue)报(bao)编委。课(ke)题(ti)组自2000年(nian)(nian)以(yi)来一(yi)(yi)直从事纳-微米结构发光材料(liao)的控制(zhi)(zhi)合成、形(xing)态结构和(he)性能调控及其在显示照明及生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)医学(xue)(xue)(xue)(xue)领域(yu)的应用基(ji)础研究。在各种稀土(tu)发光材料(liao)的形(xing)貌控制(zhi)(zhi)技术(shu)、发光薄膜(mo)及其图案化(hua)技术(shu)、特色FED发光材料(liao)、多(duo)功能稀土(tu)上转(zhuan)换发光材料(liao)在生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)成像和(he)药物(wu)(wu)控制(zhi)(zhi)传(chuan)递(di)与释放等方面做出(chu)(chu)了具有原始创(chuang)新(xin)和(he)国(guo)(guo)(guo)(guo)际影响的研究工作。曾(ceng)经/正在承担(dan)科(ke)技部973项(xiang)目(mu)子课(ke)题(ti)、国(guo)(guo)(guo)(guo)家自然(ran)(ran)科(ke)学(xue)(xue)(xue)(xue)基(ji)金杰(jie)出(chu)(chu)青年(nian)(nian)基(ji)金项(xiang)目(mu)、重点项(xiang)目(mu)以(yi)及若干面上项(xiang)目(mu)和(he)国(guo)(guo)(guo)(guo)际合作项(xiang)目(mu)。2009年(nian)(nian)获得(de)吉林省科(ke)技进步一(yi)(yi)等奖(jiang),2014年(nian)(nian)和(he)2022年(nian)(nian)两次(ci)获得(de)吉林省自然(ran)(ran)科(ke)学(xue)(xue)(xue)(xue)一(yi)(yi)等奖(jiang)。2014-至今连续(xu)入选“汤(tang)森路透(tou)全球材料(liao)领域(yu)高(gao)被引科(ke)学(xue)(xue)(xue)(xue)家”名录。至今已在国(guo)(guo)(guo)(guo)内外核(he)心期刊(kan)如Chem. Rev.Chem. Soc. Rev.J. Am. Chem. Soc.Adv. Mater.Angew. Chem. Int. Ed.等上(shang)面发表学术(shu)论(lun)文900余(yu)(yu)篇,截止目前这(zhei)些论(lun)文共被他人(ren)引用8万余(yu)(yu)次(H指数152);获(huo)授权(quan)中国发明专利(li)16项。应邀参(can)加和(he)参(can)与组织(zhi)国内外重要学术(shu)会议并做邀请报告100余(yu)(yu)次;获(huo)得2020年(nian)度(du)中科院优(you)秀导师奖,培(pei)养博士硕士研(yan)究生100余(yu)(yu)人(ren)。


文献详情:

Multi-Path ROS Storm and Immune Activation via Sulfur Vacancy-Optimized ZnIn2S4 Nanosheets for Piezocatalytic Tumor Therapy

Mingkai Yang, Binbin Ding*, Ping'an Ma*, Jun Lin*

Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202507502

//doi.org/10.1002/anie.202507502

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