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分子氢（H2）是一种信号分子，具有重要的生理和病理调控功能。一定浓度的H2可以调节炎症，而高浓度的H2可以用作抗癌诊治。

H2治疗最常见的途径包括吸入含氢空气，以及口服富含H2的水和盐水。然而，这些方法在技术上复杂、耗时且效率低下。因此，迫切需要实现H2的定点输送和连续生成。特定的纳米材料已被设计为H2的载体和发生器，通过响应目标位点的刺激而释放和产生H2。但这些材料中可以装载和产生的H2的量是有限的。新兴策略提出利用光催化工艺从水中生产H2。然而，水通过碳纳米光催化剂分解的副产物H2O2会沉积在催化剂表面，降低了水分解的效率。

铜是人体必需的微量元素，作为酶和蛋白质的辅因子，通常以Cu2+和Cu+两种价态存在。具有高价态的Cu2+与H2O2反应形成氧化还原活性的Cu+金属中心，并增强ROS的产生。除此之外，Cu+过载会造成为铜死亡。如何才能在肿瘤中以特定位点的方式精确产生H2和Cu+发挥抗癌活性呢？

近日，厦门大学陈洪敏教授团队设计了一种Cu2+碳纳米光催化剂 (Cu@CDCN)，并研究了金属碳催化剂促进氢气和铜中毒的催化水分解效率。Cu2+离子的引入提高了光催化水产生H2和H2O2的催化效率，同时形成了Cu+-碳的氧化还原活性物种。水分解后的副产物H2O2与Cu2+反应，加速了水分解和Cu+生成的过程。Cu2+还能通过金属还原作用促进谷胱甘肽（GSH）的促氧化作用。通过H2治疗、GSH耗竭和铜死亡的协同作用，最终导致癌细胞线粒体损伤和细胞内氧化还原稳态失衡，抑制癌细胞的生长。

该研究以题为“Cu2+-Anchored Carbon Nano-Photocatalysts for Visible Water Splitting to Boost Hydrogen Cuproptosis”的论文发表在《Angew. Chem.》期刊上。

图1. Cu@CDCN通过光催化水促进氢气治疗和铜死亡治疗示意图。

首先，研究者在尿素存在下，将碳点（CDs）掺杂到氮化碳（CN）中，通过热分解法制备了CDCN，然后与Cu2+锚定在CDCN上生成Cu@CDCN。获得的铜碳光催化剂水合粒径大约在100 nm，并且在水溶液中分散性良好。碳点与Cu2+的掺杂提高了纳米薄片的吸收赋予其光催化能力。由于光催化水的分解会同时产生氢气和过氧化氢。研究者接下来使用具有铂催化剂的亚甲基蓝（MB）探针评估了氢气产生能力。在照射（400–500 nm LED光，30 mW cm-2）30分钟后，Cu@CDCN组中，MB在663 nm处的吸收峰显著下降，比其他光催化剂（CN及CDCN）产生更多的H2。证明铜增强了CN的电荷分离和电子传输效率，从而具有产生H2的优异光催化活性。此外，CDs的掺杂显著增加了光催化H2O2的产生。而锚定的Cu2+快速催化分解并减少H2O2的积累。铜死亡的前提是铜离子的有效释放。GSH是调节细胞氧化还原稳态的重要内源性因子。研究者使用Ellmann探针（5,5′-二硫代双-（2-硝基苯甲酸），DTNB）评估了GSH的消耗，发现在铜纳米催化剂的结构中，Cu2+可以通过与GSH反应被还原为Cu+，这为后续的铜死亡癌症治疗提供了基础。

图2. Cu@CDCN物理化学性质表征。

在证实Cu2+锚定能促进光催化后，研究者使用4T1三阴性乳腺癌症细胞系研究了细胞在体外的摄取和治疗效果。通过流式细胞术实验发现，Cu@CDCN能被4T1细胞摄取，随着时间的延长，Cu@CDCN的摄取量更多。并且通过共聚焦成像证明了Cu@CDCN主要位于溶酶体和线粒体中。有效的摄取有利于Cu@CDCN的治疗效果。Cu2+的锚定嵌合使得Cu@CDCN对4T1细胞活力显著降低。

图3. Cu@CDCN的细胞摄取及体外抗肿瘤活性。

研究者通过细胞内A TP、GSH和ROS水平以及线粒体功能，阐明了细胞毒性机制。作为H2治疗的主要靶点的ATP，仅在CDCN光催化制氢后降低，与铜的存在无关。抑制ATP水平将有助于阻断Cu外排蛋白，从而增强铜死亡的作用。细胞内GSH的消耗主要是由于Cu2+和光催化过程中产生的电子空穴的高氧化电位导致的。GSH平衡的破坏增加了细胞内的氧化应激，促进了铜诱导的ROS的产生。研究者还通过铁氧化还原蛋白（FDX1）和硫脂酰蛋白(DLAT)表达水平证明了Cu@CDCN诱导的铜死亡。铜死亡和氢气治疗联合治疗有助于细胞停留在G1期并抑制细胞增殖。此外，这种协同作用还会影响线粒体去极化，导致线粒体损伤。

图4. Cu@CDCN造成细胞毒性机制一。

图5. Cu@CDCN造成细胞毒性机制二。

最后，研究者通过4T1荷瘤小鼠评估了Cu@CDCN体内治疗效果。H2治疗和铜死亡协同作用显示出最好的的抗肿瘤效果。

图6. Cu@CDCN体内抗肿瘤效果评估。

综上, 研究者设计了Cu2+锚定的碳纳米光催化剂，用于可见光催化分解水。在Cu2+和碳纳米光催化剂的结合下，可见光引发以下一系列过程：（1）水首先通过双电子反应被氧化为H2和H2O2，并产生氧化还原活性Cu+。（2）锚定的Cu2+分解覆盖在生成位点的H2O2，并耗尽GSH以生成Cu+和ROS并回收光催化剂的活性位点（3）产生的H2和Cu+可导致线粒体膜电位去极化，并导致严重的线粒体损伤。体外和体内研究表明，可见光触发的H2治疗和铜死亡，导致ATP和GSH耗竭、严重的脂质过氧化和脂质酸化蛋白聚集，最终有效抑制了荷瘤小鼠的肿瘤生长。所提出的利用可见光引发Cu2+锚定的碳基光催化剂的协同互利效应为癌症治疗提供了一种新的策略