肿瘤细胞铁死亡诱导型纳米材料的研究进展

刘现闯，徐克

（中国医科大学附属第一医院放射科，沈阳 110001）

2012年，STOCKWELL等［1］最早提出了铁死亡的概念，定义为铁依赖性的脂质过氧化物（lipid peroxidation，LPO）的积累而导致的细胞程序性死亡过程。铁死亡在形态学、生化和遗传学上与凋亡、坏死及其他调节性细胞死亡方式不同，其形态学特征为线粒体体积较小，线粒体膜密度浓缩，线粒体嵴减少或消失，线粒体膜外壁破裂［2-5］。大量研究［6-11］证实，铁死亡在肝癌、结直肠癌、胃癌、卵巢癌、前列腺癌、乳腺癌、横纹肌肉瘤以及血液恶性肿瘤等多种恶性肿瘤中起到关键性治疗作用。肿瘤细胞铁死亡的诱导机制大致分为2条。一条是通过抑制xCT/GSH/GPX-4通路轴，导致脂质活性氧积累引发细胞铁死亡，另一条是围绕铁代谢和线粒体直接或间接诱导铁死亡［1，4］。铁死亡过程的特征在于LPO和来自铁代谢的致死性活性氧（reactive oxygen species，ROS）的积累，且可以被铁螯合剂抑制。铁通过芬顿反应催化ROS的产生是诱导铁死亡的重要途径。过量的亚铁通过芬顿反应可以为促进脂质过氧化提供电子，并产生ROS，进而诱发铁死亡［12］。

自2012年铁死亡概念提出后，至今已经开发出一系列诱导癌细胞铁死亡的策略，包括使用纳米材料、临床药物、实验化合物和基因。其中，越来越多的研究提示铁死亡与纳米药物之间关系密切，基于纳米材料的药物设计被认为是治疗各种癌症的新策略。本文就近年来有关铁死亡诱导型纳米材料的研究进展进行综述，以加深对铁死亡纳米型诱导剂的理解，并为肿瘤的治疗提供新的研究思路。

1 铁死亡纳米诱导剂的优势

纳米药物的引入为开发新的用于肿瘤特异性治疗的铁死亡诱导剂带来了曙光。其中，纳米材料独特的理化学性质可以弥补传统药物的不足（如靶向效率低、水溶性差、不良反应严重等），还能引入新的特性（如磁性、光热效应、电化学性质等）［13］。最重要的是，铁死亡纳米型诱导剂可以弥补内源性铁的缺乏，通过提高芬顿反应的效率，加速肿瘤细胞的铁死亡进程。

2 铁死亡诱导型纳米材料的分类

基于芬顿反应，各种纳米材料已经被开发出来用于诱导铁死亡的癌症治疗。目前开发的纳米材料分为铁基纳米材料和无铁纳米材料两大类。

2.1 铁基纳米材料

铁基纳米材料在纳米铁死亡诱导剂中占了很大比例，因为铁本身是芬顿反应产生ROS的关键成分，铁死亡的进程离不开铁的参与。

2.1.1 氧化铁纳米颗粒（iron oxide nanoparticles，IONPs）：IONPs是具有代表性的铁基纳米材料，已经被美国食品和药物管理局批准用于治疗铁缺乏症［14］。最近，IONPs被证明可以诱导肿瘤细胞铁死亡。ZANGANEH等［15］研究发现氧化铁纳米颗粒不仅可以调节细胞内铁含量，还可使巨噬细胞向M1型分化。分化的M1型巨噬细胞可以产生大量的H2O2，与体内铁离子通过芬顿反应生成活性氧族。在体内，该纳米颗粒能显著抑制小鼠皮下腺癌的生长，并且可以阻止肝转移的进展。

Fe3O4纳米颗粒也可以通过加速芬顿反应来诱导肿瘤细胞铁死亡。SHEN等［16］将顺铂、乳铁蛋白、甘氨酰-精氨酰-甘氨酰-天冬氨酰-天冬酰胺酰-脯 氨 酸（proline，glycyl-L-arginylglycyl-L-a-aspartyl-Lasparaginyl，RGD）包载于Fe3O4/Gd2O3上合成杂化纳米颗粒（FeGd-HN@Pt@LF/RGD2），通过乳铁蛋白受体介导的跨细胞作用穿过血脑屏障，通过整合素介导的内吞作用内化到癌细胞中，然后释放Fe2+、Fe3+和顺铂。Fe2+和Fe3+可以直接参与芬顿反应，而顺铂可以间接产生H2O2，进一步加速芬顿反应。纳米颗粒的固有磁共振成像能力用于评估和监测肿瘤对铁死亡治疗的响应。

2.1.2 掺铁纳米材料：鉴于铁在铁死亡中的关键作用，人们尝试将铁掺杂到各种纳米材料中，用于肿瘤的靶向治疗。KLEIN等［17］以含铁量为5%的Na4Si4为原料，制备了掺铁硅纳米颗粒。当该纳米颗粒作用于人乳腺癌细胞时，其会选择性定植在细胞的线粒体膜上，当受到X射线照射时，会生成超氧化物（如H2O2）和细胞内单线态氧。生成的H2O2与掺杂的铁发生芬顿反应，生成毒性羟自由基（hydroxyl radical，·OH），最终导致细胞铁死亡。

2.1.3 铁基上转换纳米材料：上转换纳米颗粒（upconversion nanoparticles，UCNPs）可将长波近红外光转化为短波紫外可见光（ultraviolet/visible，UV/Vis），而UV/Vis光具有加速芬顿反应和提高ROS产生效率的能力［18］，基于此，铁基UCNPs逐渐被开发出来。HU等［19］开发了可利用近红外辅助肿瘤特异性芬顿反应的光化学疗法治疗癌症的策略，该策略采用铁基UCNPs材料，并偶联线粒体配合物，使其具有线粒体靶向能力。通过UCNPs可将近红外光转换为UV/Vis光，UV/Vis光进一步将Fe3+还原成 Fe2+，Fe2+进一步和癌细胞内大量的H2O2之间发生芬顿反应，不仅增加了瘤内·OH，而且通过直接靶向线粒体DNA，从而原位杀死癌细胞。

2.1.4 铁基金属有机框架纳米材料（iron-based metal-organic frameworks，MOFs）：铁基MOFs由铁与含有羧基的有机配体配位所形成，具有大孔容、大比表面积和可生物降解性等优异的特性［20］。因此，基于铁基MOFs材料诱导肿瘤细胞铁死亡的治疗策略也称为研究热点。WANG等［21］制备了核壳型Mn3［Co（CN）6］2@MIL-100（Fe）铁基金属有机骨架纳米复合体，其中负载了青蒿琥酯（artesunate，AS）和Fe3+离子。被肿瘤细胞内吞后，在其内部酸性微环境下，AS和Fe3+离子释放出来，Fe3+将进一步被还原成Fe2+，进而催化AS产生以碳为中心的自由基并通过芬顿反应产生剧毒的ROS，导致肿瘤细胞铁死亡。

2.1.5 铁基金属有机网络纳米材料（iron-based metal-organic networks，MON）：近年来，MON纳米材料因其合成简便、成本低、生物相容性高、通用性强等优点而备受关注。ZHENG等［22］将单宁酸（一种从绿茶中提取的食品添加剂）跟Fe3+离子组合在一起生成MON纳米材料，然后将其包裹在p53质粒表面，合成了MON-p53。一旦MON-p53被肿瘤细胞内吞，Fe3+离子可以诱导芬顿反应产生ROS，导致生物膜出现脂质过氧化，而过表达的p53蛋白可以进一步抑制LPO的清除，最终诱导细胞发生铁死亡。

2.1.6 铁基纳米金属玻璃：铁纳米金属玻璃，又称非晶态铁金属，具有无序原子结构，由于非凡的性质，近年来在铁死亡诱导的癌症治疗中而备受关注。ZHANG等［23］合成了非晶态Fe0纳米粒子（amorphous Fe0nanoparticles，AFeNPs），其在酸性肿瘤中会快速电离，按需释放Fe2+，并随后与癌细胞中过表达的H2O2发生芬顿反应用于特异性癌症治疗。

2.1.7 FePt纳米材料：作为最有前途的二元金属纳米材料之一，FePt纳米材料展示出磁性、生物和催化等多功能的应用，成为当前研究的热门之一［24］。YANG等［25］构建了一种酸敏性纳米诊疗剂（FePt@MnO@DSPE-PEG5000-FA，FMDF NPs），用于磁共振成像引导的铁死亡化疗。该纳米复合材料可以特异性靶向叶酸（folic acid，FA）受体阳性的肿瘤细胞。并快速释放活性Fe2+基于芬顿反应催化细胞内H2O2生成ROS，从而有效地诱导铁死亡。另一方面，Mn2+可以增强纵横向弛豫（T1/T2加权磁共振成像），明显增强实体瘤与周围组织之间的对比差异，从而准确实时监测肿瘤的位置。

2.1.8 铁基聚合物胶束：二茂铁是含铁的有机金属化合物，在酸性环境下经氧化可以产生Fe2+，而且具有良好的生物相容性。KWON等［26］将二茂铁、两亲性聚合物和苯甲酰氧基肉桂醛（benzoyloxycinnamaldehyde，BCA）通过自组装合成了PolyCAFe胶束。静脉注射后，该胶束可优先聚集在肿瘤部位，弱酸性刺激下释放BCA和Fe2+，BCA产生H2O2，H2O2随后被二茂铁快速转化为·OH，最终导致细胞死亡。

2.2 无铁纳米材料

有多种无铁纳米材料正被研究用于生物医学应用。然而，到目前为止，很少有针对基于间接铁基纳米材料用于肿瘤铁死亡治疗的研究报道，因为铁是基于芬顿反应的铁死亡的关键成分。

2.2.1 超小SiO2纳米颗粒：KIM等［27］开发了一种由黑色素瘤靶向肽修饰，聚乙二醇包裹的超小SiO2纳米颗粒（直径＜10 nm），研究证实其可以在饥饿的癌细胞和荷瘤小鼠中诱导癌细胞发生铁死亡。说明超小SiO2纳米颗粒是有效的铁死亡诱导剂，可用于肿瘤抑制和靶向治疗。

2.2.2 低密度脂蛋白（low-density lipoprotein，LDL）二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）纳米颗粒：在另一项研究中，OU等［28］开发了用DHA重组的LDL纳米颗粒LDL-DHA，其可以选择性杀死肝癌细胞并减少大鼠原位肝肿瘤的生长。进一步研究表明，经过LDL-DHA处理的大鼠和人肝癌细胞，会出现明显的脂质过氧化、谷胱甘肽（glutathione，GSH）的耗竭和Gpx4的失活，且该过程还需要细胞铁的参与，这些标志性特征证实了LDL-DHA诱导细胞的死亡方式是铁死亡。

2.2.3 锰基纳米颗粒：研究［29］发现，消耗细胞中的GSH会诱导细胞铁死亡，因为GSH具有抗氧化作用，且GSH是GPX4发挥功能所必需，GPX4的失活会导致LPO的大量积聚，最终导致细胞死亡。-Mn-O-是氧化/还原的化学键，可在低GSH浓度的环境中断裂，1分子的-Mn-O-可以消耗2分子的GSH。基于此理论，TANG等［30］设计了掺杂锰的介孔二氧化硅纳米粒子（manganese-silica nanoparticles，MMSNs），其可以通过消耗细胞内谷胱甘肽来诱导肿瘤细胞铁死亡，并在肝癌细胞中得到了验证。

3 总结与展望

本文综述了近年来有关诱导铁死亡的纳米材料的研究进展。到目前为止，已经报道了两类用于基于铁死亡的癌症治疗的纳米材料：铁基纳米材料和无铁纳米材料，铁基纳米材料比无铁纳米材料更有前途，因为铁是催化芬顿反应产生ROS的关键成分。尽管现有纳米材料已经产生了良好的铁死亡效应，但在进入临床前仍有许多挑战需要解决。首先，应不断开发新型诱导铁死亡纳米材料，寻找最优材料。其次，应进一步增强铁的负载和释放，以提高癌细胞内的铁水平。最后，应适当提高纳米材料的生物相容性、生物降解性和免疫原性，确保生物安全性。总的来说，虽然铁死亡诱导型纳米材料能够取得理想的抑瘤作用，但几乎所有研究数据都来源于实验动物，因此还有很多工作需要进一步开展。