电院张宏陆团队在发展新型半导体纳米材料实现癌症治疗方面取得进展

近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院感知科学与工程学院张宏陆副教授团队和材料科学与工程学院何前军教授、农业与生物学院张欢副教授等合作，在发展新型半导体纳米材料实现光催化细胞焦亡用于肿瘤治疗领域取得重要进展。相关成果以“Mitochondria-targeted Photoredox Catalysis Activates Pyroptosis for Effective Tumor Therapy”（线粒体靶向光催化激活细胞焦亡以实现有效肿瘤治疗）为题发表在高水平学术期刊《Advanced Functional Materials》。

研究背景

肿瘤治疗领域的重大挑战在于如何实现高效杀伤癌细胞并最大程度减少对健康组织的损害。传统疗法（如化疗和放疗）存在副作用大、易产生耐药性等缺陷，因此，科学家们正在积极探索更精准、更安全的替代技术。在本研究中，科研团队创新性地设计了一种富氧空位的二维氧化钼（Mt-VR-MoO₃）半导体纳米材料，并借助其高效光催化性能，通过诱导细胞焦亡（pyroptosis）实现肿瘤的精准治疗。这一策略开创性地将半导体光催化技术与细胞焦亡结合，为癌症治疗带来了新的突破。

光催化技术因其非侵入性、精准性和光响应可控性，近年来被广泛用于肿瘤治疗。然而，现有光催化剂大多局限于可见光区域，或存在生物相容性差、靶向性不足等问题。与此同时，细胞焦亡作为一种伴随炎性因子释放的细胞程序性死亡形式，因其能够激发强大的抗肿瘤免疫反应，成为抗癌研究的新热点。然而，如何高效、可控地诱导细胞焦亡一直是一个难点。该研究通过引入富缺陷氧化钼半导体材料，凭借其独特的导带与价带结构，展示了在近红外光（NIR-II）区域的优异响应能力，将光催化反应与细胞焦亡机制结合，为肿瘤治疗提供了创新解决方案。

线粒体靶向、响应NIR-II的光催化剂 (Mt-VR-MoO₃) 激活细胞焦亡用于肿瘤治疗的示意图

创新成果

研究团队通过在二维氧化钼纳米片中引入富氧空位（VR-MoO₃），极大地提升了材料的光电性能。氧空位的存在为材料引入了中间价带，使其在近红外（NIR-II，1064 nm）光照下能够高效生成电子-空穴对，驱动一系列氧化还原反应。进一步地，研究人员通过TPP（靶向线粒体的三苯基膦）和HA（透明质酸）修饰，将材料设计为特异性靶向线粒体的纳米光催化剂（Mt-VR-MoO₃）。

光催化剂 (Mt-VR-MoO₃)的形貌及光催化性能表征

在NIR-II光照射下，Mt-VR-MoO₃能够催化线粒体中还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的氧化以及细胞色素c（Cyt c）的还原，从而干扰线粒体电子传递链（Mito-ETC）。这一过程导致活性氧（mtROS）水平显著升高，线粒体膜电位丧失，通透性转换孔道（MPTP）开放，以及细胞色素c释放到细胞质中。最终，这些级联反应触发了Caspase-1和Caspase-3介导的细胞焦亡通路，导致肿瘤细胞的破裂性死亡。细胞焦亡的独特之处在于，其不仅直接杀伤癌细胞，还通过释放炎性因子激活免疫系统，进一步增强抗肿瘤效果。

在小鼠乳腺癌模型中，这一材料实现了高达86.9%的肿瘤生长抑制率，显著优于传统治疗方法。组织学和免疫组化结果显示，Mt-VR-MoO₃治疗后，肿瘤组织中与焦亡相关的蛋白（如GSDMD、GSDME）的表达水平显著升高，证明了这一治疗策略成功诱导了肿瘤细胞的焦亡。此外，生物分布实验表明，该材料在治疗后能够通过粪便和尿液迅速排出体外，对正常器官无明显毒性，进一步证明了其优异的生物安全性。

光催化剂 (Mt-VR-MoO₃)在近红外光照射下扰乱癌细胞线粒体电子流导致的线粒体破坏并引发细胞焦亡的过程

该研究首次将富缺陷氧化钼的半导体光催化性能与诱导细胞焦亡的肿瘤治疗机制相结合，开创了一种全新的“光催化-焦亡”抗癌策略。这一设计不仅克服了现有光催化剂的波长限制问题，还通过焦亡机制激活免疫系统，增强了抗癌效果。

研究团队

上海交通大学电子信息与电气工程学院感知学院张宏陆副教授、农业与生物学院张欢副教授及材料科学与工程学院/氢科学中心何前军教授为论文的共同通讯作者，联合培养博士生招斌为论文第一作者，该研究工作得到了化学化工学院樊春海院士的建议和支持，并受到国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市浦江人才计划等项目的资助。

张宏陆团队长期致力于设计框架核酸用于单分子生物感知、DNA存储与计算、人工智能与合成生物等研究，相关研究成果以第一/通讯作者发表于《Nature Communications》《PNAS》《Matter》《Nature Protocols》等高水平学术期刊，申请发明专利十余项。欢迎感兴趣的本科生和研究生加入！

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202417681

点亮“在看”，点赞电院科研！

来源｜感知科学与工程学院

供稿 | 张宏陆

编辑｜万凤箫

责任编辑｜王敏