通过稳定的磷脂包覆CsCu2I3过氧化物酶类似纳米酶，在肿瘤细胞中实现高灵敏度的H2O2比色检测

《Analytica Chimica Acta》：Highly sensitive H2O2 colorimetric sensing in tumor cells via stable phospholipid-coated CsCu2I3 peroxidase-like nanoenzyme

过氧化氢检测|钙钛矿纳米酶|磷脂膜封装|肿瘤诊疗|Fenton反应

　　

Jiatong Wang|杨宇|范雅文|陈思涵|莫美仪|杨硕|赵阳阳|张子旭|韩宏贤

中国吉林省延边大学理学院能源与资源催化实验室，绿色低碳能源与资源催化重点实验室

摘要

背景

高灵敏度、快速检测与肿瘤细胞相关的过氧化氢（H₂O₂）对于癌症相关的生物分析和治疗评估具有潜在价值。然而，开发在生理条件下同时具备灵敏度、选择性、稳定性和快速性的比色传感材料仍然具有挑战性。金属卤化物钙钛矿因其可调的带隙结构和模拟酶的催化特性而受到关注，但无毒且生物相容的钙钛矿基比色平台的发展仍然有限。

结果

本文报道了一种磷脂膜（PM）包覆的CsCu₂I₃纳米晶体（PM-CsCu₂I₃ NCs），作为稳定的、生物相容的过氧化物酶模拟纳米酶，用于H₂O₂的检测。PM-CsCu₂I₃ NCs能够在溶液中以14 μM的检测限实现比色H₂O₂传感。DMPO自旋捕获EPR测量进一步证实，羟基自由基（•OH）是通过类似Fenton的过程产生的，并且该平台能够基于内源性H₂O₂相关反应区分肿瘤细胞和正常细胞。除了短期生物相容性外，这种纳米酶还表现出良好的长期细胞相容性和血液相容性，并通过氧化应激相关效应在体外显示出浓度依赖性的抗肿瘤活性，表明其具有与化学动力学疗法结合应用的潜力。

意义

总体而言，这些发现扩展了生物相容的、无铅钙钛矿纳米酶在H₂O₂相关生物分析及相关诊疗探索中的应用范围。

引言

肿瘤细胞微环境中H₂O₂的异常积累是氧化应激反应状态的重要指标。H₂O₂水平的变化与肿瘤的发展、转移和耐药性密切相关[1]。体外实时检测H₂O₂已被证明有助于早期诊断肿瘤细胞。现有的H₂O₂检测技术包括电化学检测、化学发光检测、液相色谱检测、荧光光度检测和分光光度检测等。这些技术具有多个优点，如低检测限、高选择性和精确的检测结果[2]。然而，样品预处理过程的复杂性、操作设备所需的专业人员以及仪器的高成本阻碍了肿瘤细胞的快速和经济筛查。

比色检测方法因其低成本、操作简便和可视化等优点而受到广泛关注。系统的性能取决于催化材料对H₂O₂的响应灵敏度和特异性[3]。在H₂O₂检测中，这一过程主要由过氧化物酶催化，导致底物氧化并随后产生颜色变化。天然生物酶（如过氧化氢酶）具有高选择性[4]。但由于其活性容易受到pH值和温度等干扰因素的影响，通常对底物条件要求严格。在实际应用中，生物酶的高成本和不稳定性限制了它们的广泛应用[5,6]。因此，开发仿生酶已成为一种必要的方法。

尽管基于非贵金属的纳米酶（如Fe₃O₄）成本低廉，但它们的过氧化物酶类似活性和选择性仍低于仿生酶，更不用说其生物相容性了。另一方面，基于贵金属的纳米酶虽然具有高催化活性，但高成本限制了它们的应用。此外，在不同批次之间实现一致的可重复性仍然是一个技术瓶颈[7]。

增强过氧化物酶类似活性和降低检测限（LOD）是通过纳米酶进行肿瘤细胞靶向比色检测的关键要求[8,9]。基于金属有机框架（MOFs）的纳米酶因其独特的性质（如高孔隙率、高表面积和易于功能化）而被广泛研究[10]。Peng等人通过将铜离子引入沸石咪唑酸盐框架-8（ZIF-8）基质中，设计了一种新型的漆酶模拟纳米酶（Cu/Zn-ZIF），其底物亲和力和催化效率远优于天然漆酶，并且对酚类化合物具有超低检测限（0.33 μg/mL）[11]。然而，这些材料在水溶液中存在稳定性问题。

表面封装和界面稳定化的最新突破加速了纳米酶在肿瘤诊断中的实际应用[12,13]。Li等人用DOPC封装了CsPbBr₃纳米晶体（NCs），形成了磷脂膜包覆的PM-CsPbBr₃ NCs，显示出优异的荧光生物标记物酶活性[14]。Feng等人通过传统的阴离子交换方法合成了五种不同的DOPC修饰的CsPbX₃纳米晶体（CsPbX₃ NCs@PL），并开发了一种基于碘化物增强的钙钛矿纳米酶的比色平台，用于可视化定量尿液核基质蛋白22（NMP22），这是一种临床确立的膀胱癌诊断生物标志物[15]。研究发现，CsPbI₃ NCs的催化效率比传统的CsPbBr₃ NCs高24倍。尽管这些金属卤化物钙钛矿作为新型的过氧化物酶模拟纳米酶在传感器、生化测定和闪烁体方面具有应用潜力，但Pb²⁺的浸出是一个关键限制，因为它具有细胞毒性、催化活性位点的毒害和不可逆的催化剂失活等问题[16,17]。因此，开发非Pb基的生物友好型过氧化物酶模拟纳米酶是必要的[18,19]。

本文提出了一种基于无铅钙钛矿纳米酶的肿瘤微环境比色传感的协同策略。通过用DOPC封装CsCu₂I₃ NCs形成磷脂膜，构建了一种具有高过氧化物酶类似催化活性和自报告光学特性的多功能探针，同时解决了传统含铅钙钛矿的瓶颈问题，如毒性、水稳定性差和催化信号转换效率低。实验表明，磷脂双层赋予纳米酶优异的生物相容性和水稳定性。PM-CsCu₂I₃ NCs与H₂O₂发生类似Fenton的催化反应，从而显著促进无色TMB氧化为蓝色氧化TMB（表示为ox-TMB）。以模型胶质瘤细胞（GL261）为例，ox-TMB的UV-vis吸光度与胶质瘤细胞密度呈线性相关（R² = 0.999）。检测限可低至14 μM，显示出PM-CsCu₂I₃ NCs在驱动ox-TMB形成方面的高选择性和灵敏度。另一方面，与GL261细胞孵育24小时后，细胞活力随PM-CsCu₂I₃ NCs浓度的增加而降低，表明其具有浓度依赖性的抗肿瘤作用。这项工作为无铅Cu基钙钛矿作为纳米酶在肿瘤诊断和治疗中的应用提供了新的范例。

实验部分

关于化学品、试剂和其他实验细节的信息请参见支持信息。

PM-CsCu₂I₃ NCs的合成和结构表征

使用热注射技术合成了高质量的PM-CsCu₂I₃ NCs。通过两亲性DOPC磷脂在水油相变过程中的自组装，实现了CsCu₂I₃ NCs的快速封装，形成PM-CsCu₂I₃ NCs。CsCu₂I₃ NCs的疏水表面特性可能促进了这一封装过程[20]。X射线衍射（XRD）图谱（图1a）显示PM-CsCu₂I₃ NCs属于正交晶系

结论

通过简单的热注射方法合成的PM-CsCu₂I₃ NCs被证明是一种有前景的无铅钙钛矿纳米酶平台，适用于H₂O₂的比色检测。磷脂膜封装有助于在生理条件下保持过氧化物酶类似活性，同时提高水耐受性和生物相容性。PM-CsCu₂I₃ NCs通过类似Fenton的过程有效催化H₂O₂生成羟基自由基（•OH），这一点通过DMPO自旋捕获EPR测量得到了证实

CRediT作者贡献声明

Jiatong Wang：撰写 – 原稿。 杨宇：形式分析。 范雅文：研究。 陈思涵：方法学。 莫美仪：方法学。 杨硕：方法学。 赵阳阳：撰写 – 审稿与编辑。 张子旭：撰写 – 审稿与编辑。 韩宏贤：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国吉林省科学技术发展计划（编号：YDZJ202401572ZYTS）和高等教育学科创新项目（D18012）的支持。