朱伟教授联合马毅教授在Adv. Mater发表论文：硅烯-硅酸转化构建细胞器特异性生物硅化策略用于肿瘤治疗

 近日，华南理工大学生物科学与工程学院朱伟教授、马毅教授联合广州医科大学附属第二医院雷琪教授在国际期刊《Advanced Materials》（IF=29.1）上在线发表题目为“Harnessing Silicene-to-Silicic Acid Conversion for Organelle-Specific Silica Deposition in Tumor Therapy”的研究论文。华南理工大学生物科学与工程学院博士生尚同祎为第一作者，雷琪教授、朱伟教授和马毅教授为共同通讯作者。

 近年来，诱导肿瘤组织发生局部矿化逐渐成为一种无需依赖传统化疗药物的新型抗肿瘤策略。受这一现象启发，研究人员提出通过人工诱导肿瘤细胞矿化，实现“不用药杀肿瘤”的新思路。而目前基于钙化的策略必须依赖体内高浓度Ca2+和PO₄3-；晶体形成速度缓慢，容易被快速代谢的肿瘤细胞破坏；难以实现细胞器水平的精准矿化。因此，如何摆脱内源离子依赖，实现可控、精准的矿化治疗，成为该领域长期未解决的问题。

 灵感来自硅藻：让肿瘤线粒体发生“生物硅化”，相比传统钙化，生物硅化仅依赖一种前驱体——正硅酸（Si(OH)4），无需复杂离子平衡，具有更高的矿化效率和更好的可控性，而传统基于硅氧烷的前驱体存在体内稳定性不足、易快速水解等问题，影响其全身递送效率与体内有效富集。基于此，研究团队首次提出：利用二维硅烯（Silicene）构建“无机硅酸库（Inorganic Silicic Acid Reservoir）”，实现细胞器水平精准生物硅化治疗。这一概念突破了传统分子前驱体快速水解、无法全身给药的限制，为硅化治疗提供了全新的材料基础。

图1. Silicene@TA/TPP-PEI（TPTS）介导的线粒体靶向及可调控生物硅化的示意图

 TPTS通过温和氧化剥离法制备二维硅烯纳米片，并引入单宁酸（TA）与TPP修饰的PEI构建TPTS体系，实现线粒体靶向与可调控生物硅化。TA用于增强表面稳定性并提供多酚类界面结合能力，PEI用于赋予纳米结构正电性及促进细胞内吞与内体逃逸，而TPP作为线粒体靶向基团用于实现亚细胞层面的选择性富集。体外实验表明，TPTS可特异性富集于线粒体表面并诱导局部硅沉积，使其表面逐渐粗糙化并发生界面限域硅化，证明该体系具备可编程的亚细胞靶向生物矿化能力。

 图2. TPTS的制备与结构以及体外线粒体硅化表征

 SIM与Bio-TEM结果显示，TPTS可显著诱导4T1细胞线粒体发生结构性损伤，使其由完整丝状网络逐渐转变为碎片化与肿胀状态，并伴随整体形态缩短与塌陷。超微结构进一步证实线粒体膜结构破坏及嵴消失，提示严重功能障碍。相比之下，细胞骨架保持完整，表明该作用具有一定线粒体靶向选择性。

图3. TPTS诱导线粒体结构破坏

 蛋白组学分析显示，TPTS处理显著改变4T1细胞蛋白表达谱，差异蛋白主要富集于线粒体基质及蛋白复合体相关通路。GO与KEGG结果表明，其显著影响氧化磷酸化与能量代谢过程，并伴随氧化应激及凋亡相关通路激活。GSEA进一步证实线粒体功能与能量转换相关蛋白整体下调，提示TPTS通过破坏线粒体蛋白网络重塑细胞能量稳态。

 图4. TPTS诱导4T1细胞线粒体硅化的蛋白质组学分析

 基于尾静脉给药的原位4T1三阴性乳腺癌治疗体系，TPTS在全身给药后显著抑制肿瘤生长并降低终点肿瘤负荷，同时未引起明显体重变化，显示出良好的体内抗肿瘤效果与安全性。

图5. 尾静脉注射全身给药的原位三阴性乳腺癌治疗体内评价

该研究的核心亮点包括：（1）构建“固态无机硅酸库”新策略：首次将二维硅烯工程化为体内稳定的“无机硅酸储库”，通过材料降解实现可编程正硅酸生成，突破传统前驱体不稳定及难以全身递送的局限；（2）实现线粒体靶向的空间限域生物硅化：通过TA界面调控与TPP靶向协同，实现TPTS向线粒体膜的精准富集，并诱导亚细胞尺度局部硅沉积，构建空间受限的线粒体硅化过程，从而提升治疗选择性与可控性；（3）提出基于材料降解驱动的可编程矿化治疗机制：区别于传统依赖分子扩散与快速水解的矿化模式，本体系利用硅烯在氧化微环境中的渐进式固相降解，实现动力学可调的硅酸释放与原位沉积，从机制上构建“材料控制释放”驱动的肿瘤线粒体矿化新范式。

 该研究得到了国家自然科学基金（22372061）、广东省科技计划项目（2024B1111130002）、广州市科技计划项目（2024A03J0163，2024A04J3029）以及中央高校基本科研业务费等的资助。