腫瘤細(xì)胞鐵死亡誘導(dǎo)型納米材料的研究進(jìn)展

劉現(xiàn)闖，徐克

（中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，沈陽 110001）

2012年，STOCKWELL等［1］最早提出了鐵死亡的概念，定義為鐵依賴性的脂質(zhì)過氧化物（lipid peroxidation，LPO）的積累而導(dǎo)致的細(xì)胞程序性死亡過程。鐵死亡在形態(tài)學(xué)、生化和遺傳學(xué)上與凋亡、壞死及其他調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡方式不同，其形態(tài)學(xué)特征為線粒體體積較小，線粒體膜密度濃縮，線粒體嵴減少或消失，線粒體膜外壁破裂［2-5］。大量研究［6-11］證實(shí)，鐵死亡在肝癌、結(jié)直腸癌、胃癌、卵巢癌、前列腺癌、乳腺癌、橫紋肌肉瘤以及血液惡性腫瘤等多種惡性腫瘤中起到關(guān)鍵性治療作用。腫瘤細(xì)胞鐵死亡的誘導(dǎo)機(jī)制大致分為2條。一條是通過抑制xCT/GSH/GPX-4通路軸，導(dǎo)致脂質(zhì)活性氧積累引發(fā)細(xì)胞鐵死亡，另一條是圍繞鐵代謝和線粒體直接或間接誘導(dǎo)鐵死亡［1，4］。鐵死亡過程的特征在于LPO和來自鐵代謝的致死性活性氧（reactive oxygen species，ROS）的積累，且可以被鐵螯合劑抑制。鐵通過芬頓反應(yīng)催化ROS的產(chǎn)生是誘導(dǎo)鐵死亡的重要途徑。過量的亞鐵通過芬頓反應(yīng)可以為促進(jìn)脂質(zhì)過氧化提供電子，并產(chǎn)生ROS，進(jìn)而誘發(fā)鐵死亡［12］。

自2012年鐵死亡概念提出后，至今已經(jīng)開發(fā)出一系列誘導(dǎo)癌細(xì)胞鐵死亡的策略，包括使用納米材料、臨床藥物、實(shí)驗(yàn)化合物和基因。其中，越來越多的研究提示鐵死亡與納米藥物之間關(guān)系密切，基于納米材料的藥物設(shè)計(jì)被認(rèn)為是治療各種癌癥的新策略。本文就近年來有關(guān)鐵死亡誘導(dǎo)型納米材料的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以加深對鐵死亡納米型誘導(dǎo)劑的理解，并為腫瘤的治療提供新的研究思路。

1 鐵死亡納米誘導(dǎo)劑的優(yōu)勢

納米藥物的引入為開發(fā)新的用于腫瘤特異性治療的鐵死亡誘導(dǎo)劑帶來了曙光。其中，納米材料獨(dú)特的理化學(xué)性質(zhì)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)藥物的不足（如靶向效率低、水溶性差、不良反應(yīng)嚴(yán)重等），還能引入新的特性（如磁性、光熱效應(yīng)、電化學(xué)性質(zhì)等）［13］。最重要的是，鐵死亡納米型誘導(dǎo)劑可以彌補(bǔ)內(nèi)源性鐵的缺乏，通過提高芬頓反應(yīng)的效率，加速腫瘤細(xì)胞的鐵死亡進(jìn)程。

2 鐵死亡誘導(dǎo)型納米材料的分類

基于芬頓反應(yīng)，各種納米材料已經(jīng)被開發(fā)出來用于誘導(dǎo)鐵死亡的癌癥治療。目前開發(fā)的納米材料分為鐵基納米材料和無鐵納米材料兩大類。

2.1 鐵基納米材料

鐵基納米材料在納米鐵死亡誘導(dǎo)劑中占了很大比例，因?yàn)殍F本身是芬頓反應(yīng)產(chǎn)生ROS的關(guān)鍵成分，鐵死亡的進(jìn)程離不開鐵的參與。

2.1.1 氧化鐵納米顆粒（iron oxide nanoparticles，IONPs）：IONPs是具有代表性的鐵基納米材料，已經(jīng)被美國食品和藥物管理局批準(zhǔn)用于治療鐵缺乏癥［14］。最近，IONPs被證明可以誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡。ZANGANEH等［15］研究發(fā)現(xiàn)氧化鐵納米顆粒不僅可以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鐵含量，還可使巨噬細(xì)胞向M1型分化。分化的M1型巨噬細(xì)胞可以產(chǎn)生大量的H2O2，與體內(nèi)鐵離子通過芬頓反應(yīng)生成活性氧族。在體內(nèi)，該納米顆粒能顯著抑制小鼠皮下腺癌的生長，并且可以阻止肝轉(zhuǎn)移的進(jìn)展。

Fe3O4納米顆粒也可以通過加速芬頓反應(yīng)來誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡。SHEN等［16］將順鉑、乳鐵蛋白、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）包載于Fe3O4/Gd2O3上合成雜化納米顆粒（FeGd-HN@Pt@LF/RGD2），通過乳鐵蛋白受體介導(dǎo)的跨細(xì)胞作用穿過血腦屏障，通過整合素介導(dǎo)的內(nèi)吞作用內(nèi)化到癌細(xì)胞中，然后釋放Fe2+、Fe3+和順鉑。Fe2+和Fe3+可以直接參與芬頓反應(yīng)，而順鉑可以間接產(chǎn)生H2O2，進(jìn)一步加速芬頓反應(yīng)。納米顆粒的固有磁共振成像能力用于評估和監(jiān)測腫瘤對鐵死亡治療的響應(yīng)。

2.1.2 摻鐵納米材料：鑒于鐵在鐵死亡中的關(guān)鍵作用，人們嘗試將鐵摻雜到各種納米材料中，用于腫瘤的靶向治療。KLEIN等［17］以含鐵量為5%的Na4Si4為原料，制備了摻鐵硅納米顆粒。當(dāng)該納米顆粒作用于人乳腺癌細(xì)胞時(shí)，其會選擇性定植在細(xì)胞的線粒體膜上，當(dāng)受到X射線照射時(shí)，會生成超氧化物（如H2O2）和細(xì)胞內(nèi)單線態(tài)氧。生成的H2O2與摻雜的鐵發(fā)生芬頓反應(yīng)，生成毒性羥自由基（hydroxyl radical，·OH），最終導(dǎo)致細(xì)胞鐵死亡。

2.1.3 鐵基上轉(zhuǎn)換納米材料：上轉(zhuǎn)換納米顆粒（upconversion nanoparticles，UCNPs）可將長波近紅外光轉(zhuǎn)化為短波紫外可見光（ultraviolet/visible，UV/Vis），而UV/Vis光具有加速芬頓反應(yīng)和提高ROS產(chǎn)生效率的能力［18］，基于此，鐵基UCNPs逐漸被開發(fā)出來。HU等［19］開發(fā)了可利用近紅外輔助腫瘤特異性芬頓反應(yīng)的光化學(xué)療法治療癌癥的策略，該策略采用鐵基UCNPs材料，并偶聯(lián)線粒體配合物，使其具有線粒體靶向能力。通過UCNPs可將近紅外光轉(zhuǎn)換為UV/Vis光，UV/Vis光進(jìn)一步將Fe3+還原成 Fe2+，F(xiàn)e2+進(jìn)一步和癌細(xì)胞內(nèi)大量的H2O2之間發(fā)生芬頓反應(yīng)，不僅增加了瘤內(nèi)·OH，而且通過直接靶向線粒體DNA，從而原位殺死癌細(xì)胞。

2.1.4 鐵基金屬有機(jī)框架納米材料（iron-based metal-organic frameworks，MOFs）：鐵基MOFs由鐵與含有羧基的有機(jī)配體配位所形成，具有大孔容、大比表面積和可生物降解性等優(yōu)異的特性［20］。因此，基于鐵基MOFs材料誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡的治療策略也稱為研究熱點(diǎn)。WANG等［21］制備了核殼型Mn3［Co（CN）6］2@MIL-100（Fe）鐵基金屬有機(jī)骨架納米復(fù)合體，其中負(fù)載了青蒿琥酯（artesunate，AS）和Fe3+離子。被腫瘤細(xì)胞內(nèi)吞后，在其內(nèi)部酸性微環(huán)境下，AS和Fe3+離子釋放出來，F(xiàn)e3+將進(jìn)一步被還原成Fe2+，進(jìn)而催化AS產(chǎn)生以碳為中心的自由基并通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生劇毒的ROS，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞鐵死亡。

2.1.5 鐵基金屬有機(jī)網(wǎng)絡(luò)納米材料（iron-based metal-organic networks，MON）：近年來，MON納米材料因其合成簡便、成本低、生物相容性高、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。ZHENG等［22］將單寧酸（一種從綠茶中提取的食品添加劑）跟Fe3+離子組合在一起生成MON納米材料，然后將其包裹在p53質(zhì)粒表面，合成了MON-p53。一旦MON-p53被腫瘤細(xì)胞內(nèi)吞，F(xiàn)e3+離子可以誘導(dǎo)芬頓反應(yīng)產(chǎn)生ROS，導(dǎo)致生物膜出現(xiàn)脂質(zhì)過氧化，而過表達(dá)的p53蛋白可以進(jìn)一步抑制LPO的清除，最終誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。

2.1.6 鐵基納米金屬玻璃：鐵納米金屬玻璃，又稱非晶態(tài)鐵金屬，具有無序原子結(jié)構(gòu)，由于非凡的性質(zhì)，近年來在鐵死亡誘導(dǎo)的癌癥治療中而備受關(guān)注。ZHANG等［23］合成了非晶態(tài)Fe0納米粒子（amorphous Fe0nanoparticles，AFeNPs），其在酸性腫瘤中會快速電離，按需釋放Fe2+，并隨后與癌細(xì)胞中過表達(dá)的H2O2發(fā)生芬頓反應(yīng)用于特異性癌癥治療。

2.1.7 FePt納米材料：作為最有前途的二元金屬納米材料之一，F(xiàn)ePt納米材料展示出磁性、生物和催化等多功能的應(yīng)用，成為當(dāng)前研究的熱門之一［24］。YANG等［25］構(gòu)建了一種酸敏性納米診療劑（FePt@MnO@DSPE-PEG5000-FA，F(xiàn)MDF NPs），用于磁共振成像引導(dǎo)的鐵死亡化療。該納米復(fù)合材料可以特異性靶向葉酸（folic acid，F(xiàn)A）受體陽性的腫瘤細(xì)胞。并快速釋放活性Fe2+基于芬頓反應(yīng)催化細(xì)胞內(nèi)H2O2生成ROS，從而有效地誘導(dǎo)鐵死亡。另一方面，Mn2+可以增強(qiáng)縱橫向弛豫（T1/T2加權(quán)磁共振成像），明顯增強(qiáng)實(shí)體瘤與周圍組織之間的對比差異，從而準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測腫瘤的位置。

2.1.8 鐵基聚合物膠束：二茂鐵是含鐵的有機(jī)金屬化合物，在酸性環(huán)境下經(jīng)氧化可以產(chǎn)生Fe2+，而且具有良好的生物相容性。KWON等［26］將二茂鐵、兩親性聚合物和苯甲酰氧基肉桂醛（benzoyloxycinnamaldehyde，BCA）通過自組裝合成了PolyCAFe膠束。靜脈注射后，該膠束可優(yōu)先聚集在腫瘤部位，弱酸性刺激下釋放BCA和Fe2+，BCA產(chǎn)生H2O2，H2O2隨后被二茂鐵快速轉(zhuǎn)化為·OH，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

2.2 無鐵納米材料

有多種無鐵納米材料正被研究用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。然而，到目前為止，很少有針對基于間接鐵基納米材料用于腫瘤鐵死亡治療的研究報(bào)道，因?yàn)殍F是基于芬頓反應(yīng)的鐵死亡的關(guān)鍵成分。

2.2.1 超小SiO2納米顆粒：KIM等［27］開發(fā)了一種由黑色素瘤靶向肽修飾，聚乙二醇包裹的超小SiO2納米顆粒（直徑＜10 nm），研究證實(shí)其可以在饑餓的癌細(xì)胞和荷瘤小鼠中誘導(dǎo)癌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。說明超小SiO2納米顆粒是有效的鐵死亡誘導(dǎo)劑，可用于腫瘤抑制和靶向治療。

2.2.2 低密度脂蛋白（low-density lipoprotein，LDL）二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）納米顆粒：在另一項(xiàng)研究中，OU等［28］開發(fā)了用DHA重組的LDL納米顆粒LDL-DHA，其可以選擇性殺死肝癌細(xì)胞并減少大鼠原位肝腫瘤的生長。進(jìn)一步研究表明，經(jīng)過LDL-DHA處理的大鼠和人肝癌細(xì)胞，會出現(xiàn)明顯的脂質(zhì)過氧化、谷胱甘肽（glutathione，GSH）的耗竭和Gpx4的失活，且該過程還需要細(xì)胞鐵的參與，這些標(biāo)志性特征證實(shí)了LDL-DHA誘導(dǎo)細(xì)胞的死亡方式是鐵死亡。

2.2.3 錳基納米顆粒：研究［29］發(fā)現(xiàn)，消耗細(xì)胞中的GSH會誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡，因?yàn)镚SH具有抗氧化作用，且GSH是GPX4發(fā)揮功能所必需，GPX4的失活會導(dǎo)致LPO的大量積聚，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。-Mn-O-是氧化/還原的化學(xué)鍵，可在低GSH濃度的環(huán)境中斷裂，1分子的-Mn-O-可以消耗2分子的GSH。基于此理論，TANG等［30］設(shè)計(jì)了摻雜錳的介孔二氧化硅納米粒子（manganese-silica nanoparticles，MMSNs），其可以通過消耗細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽來誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡，并在肝癌細(xì)胞中得到了驗(yàn)證。

3 總結(jié)與展望

本文綜述了近年來有關(guān)誘導(dǎo)鐵死亡的納米材料的研究進(jìn)展。到目前為止，已經(jīng)報(bào)道了兩類用于基于鐵死亡的癌癥治療的納米材料：鐵基納米材料和無鐵納米材料，鐵基納米材料比無鐵納米材料更有前途，因?yàn)殍F是催化芬頓反應(yīng)產(chǎn)生ROS的關(guān)鍵成分。盡管現(xiàn)有納米材料已經(jīng)產(chǎn)生了良好的鐵死亡效應(yīng)，但在進(jìn)入臨床前仍有許多挑戰(zhàn)需要解決。首先，應(yīng)不斷開發(fā)新型誘導(dǎo)鐵死亡納米材料，尋找最優(yōu)材料。其次，應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)鐵的負(fù)載和釋放，以提高癌細(xì)胞內(nèi)的鐵水平。最后，應(yīng)適當(dāng)提高納米材料的生物相容性、生物降解性和免疫原性，確保生物安全性?？偟膩碚f，雖然鐵死亡誘導(dǎo)型納米材料能夠取得理想的抑瘤作用，但幾乎所有研究數(shù)據(jù)都來源于實(shí)驗(yàn)動物，因此還有很多工作需要進(jìn)一步開展。