Red-emissive Mitochondria-targeting Iron-doped Carbon Dots for Tumor Therapy via Peroxidase-mimicking Activity-induced Ferroptosis

doi:10.7503/cjcu20250094

Abstract

Abstract:

In this work， iron-doped carbon dots（Fe-CDs） with strong peroxidase-mimicking activity were synthesized for tumor-specific therapy. Their intrinsic red fluorescence enabled high-contrast cellular imaging， revealing preferential mitochondrial accumulation. In the acidic and hydrogen peroxide（H₂O₂）-rich tumor microenvironment， Fe-CDs catalyzed hydroxyl radical（•OH） generation， inducing oxidative stress and lipid peroxidation， ultimately triggering ferroptosis. In vitro and in vivo studies demonstrated potent tumor inhibition. Furthermore， Fe-CDs exhibited excellent biocompatibility with no significant systemic toxicity. By integrating fluorescence imaging and catalytic therapy， this study presents a promising nanoplatform for tumor treatment and ferroptosis research.

Key words: Carbon dots, Nanozyme, Mitochondria-targeting, Ferroptosis, Tumor therapy

CLC Number:

O636

TrendMD:

XUE Xiaokuang, LI Jian, LIANG Huanyi, WANG Yiying, GE Jiechao. Red-emissive Mitochondria-targeting Iron-doped Carbon Dots for Tumor Therapy via Peroxidase-mimicking Activity-induced Ferroptosis[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(6): 20250094.

Figures/Tables 5

Fig.1 Characterization of Fe⁃CDs（A） TEM and HR-TEM images of Fe-CDs；（B） UV-Vis absorbance spectrum；（C） fluorescence emission spectra of Fe-CDs under excitation at different wavelengths；（D） FTIR spectrum；（E） raman spectrum；（F） XPS survey spectrum of Fe-CDs； high-resolution XPS spectra of N1s （G）， O1s （H）， and Fe2p （I）.

Fig.2 POD⁃mimicking activity of Fe⁃CDs

Fig.3 Cellular imaging and in vitro cytotoxicity（A） CLSM images of cells incubated with Fe-CDs for different durations（scale bar： 100 μm）；（B） CLSM images of intracellular ROS generation under different treatments using HPF and DCFH as probes for •OH and total ROS， respectively（scale bar： 100 μm）；（C） cell viability of HUVECs after 24 h incubation with Fe-CDs at different concentrations；（D） cell viability of 4T1 cells after 24 h incubation with Fe-CDs（culture medium adjusted to pH=6.5 using PIPES）；（E） cell viability of 4T1 cells after 24 h incubation with Fe-CDs in a PIPES-buffered medium（pH=6.5） with 100 μmol/L H₂O₂；（F） CLSM images of live and dead 4T1 cells after different treatments（scale bar： 200 μm）.

Fig.4 Mechanism of mitochondrial dysfunction⁃induced tumor cell ferroptosis

Fig.5 In vivo tumor therapeutic efficacy of Fe⁃CDs（A） Schematic illustration of the establishment of 4T1 tumor-bearing mice and the evaluation of Fe-CD therapy；（B—D） representative digital images of tumors and tumor growth curves for different treatment groups over 20 d；（E） average tumor volume of 4T1 tumor-bearing mice under various treatments；（F） changes in body mass over 20 d for different treatment groups；（G） H&E-stained tumor sections；（H） GPX4 immunofluorescence staining；（I） Ki67 immunohistochemical staining of tumors following different treatments； statistical analysis was performed using an unpaired t-test（*P<0.05， **P<0.01， ***P<0.001 and ****P<0.0001）.

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