肾脏可清除的超小单晶铁纳米颗粒介导的铁死亡增强免疫治疗

铁作为生命体不可缺少的微量元素，具有其他各类金属元素无可比拟的安全性和独特的活性。亚铁离子（Fe²⁺）具有较高的Fenton催化活性，可以使过氧化氢分解为活性极高的羟基自由基（•OH），广泛应用于生物医学领域。然而Fe²⁺稳定性差，易被氧化失去活性，且其在肿瘤弱酸性微环境中催化活性有限，往往需要与其他治疗方法联合使用或大剂量应用才能实现治疗效果。相较于Fe²⁺，零价铁（Fe(0)）具有更强的还原性，但是Fe(0)暴露于空气中会很快被氧化为Fe²⁺/Fe³⁺，形成较厚的氧化铁壳层，阻碍了铁离子进一步释放，极大的降低了其催化活性。

为解决上述问题，中国药科大学孙晓莲教授（点击查看介绍）团队提出了一种利用高温热解法一步合成尺寸超小的单晶铁纳米颗粒（bcc-USINPs）的方法。所制备的bcc-USINPs具有2 nm左右的结晶相Fe(0)核和约0.7 nm的氧化铁壳层结构。得益于精心设计的超薄氧化铁壳层，Fe(0)核可被保护不被氧化，使其在储存及正常生理环境中保持稳定；超薄氧化铁壳层可以在肿瘤酸性微环境中选择性蚀刻并暴露出具有超高比表面积的Fe(0)核，使其恢复极强的Fenton催化活性(K_M = 0.031 mM, V_max = 5.92 ×10^-7 M s^-1)。

图1. 肾脏可清除的超小单晶铁纳米颗粒用于高效、可控的肿瘤铁死亡治疗和免疫治疗示意图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

该项工作中制备的bcc-USINPs可在肿瘤弱酸性微环境中，选择性释放大量铁离子，促进Fenton反应，实现较低浓度（IC₅₀=15.72 μg/mL）使肿瘤细胞高表达的不饱和脂肪酸发生脂质过氧化，诱导肿瘤细胞发生铁死亡。

图2. (a) bcc-USINPs的TEM图像；(b) bcc-USINPs的HRTEM图像；(c) bcc-USINPs在pH 5.5缓冲液中孵育48 h后的TEM图像。白色箭头：破碎的外壳，红色箭头：暴露的铁核。(d) 铁纳米颗粒对亚甲基蓝降解能力检测；(e) 各铁纳米颗粒对细胞中铁死亡相关蛋白表达量的影响。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

铁死亡是区别于凋亡、坏死和自噬等的一种铁依赖性的新型程序性细胞死亡方式。近年来，铁死亡过程被证实和癌症免疫过程密切相关。该项工作验证了bcc-USINPs所介导的铁死亡可以有效地诱导肿瘤细胞发生免疫原性死亡，释放危险相关分子模式（DAMPs），促进树突状细胞（DC）成熟。

图3. (a) bcc-USINPs介导的肿瘤细胞ICD促进DC成熟过程的示意图。(b) 流式细胞术量化CRT在MC38肿瘤细胞表面的表达水平。(c) 通过酶联免疫吸附试验(ELISA)检测bcc-USINPs作用后的MC38细胞释放的HMGB1水平。(n = 3)，***P < 0.001。(d) 采用增强型ATP检测试剂盒检测bcc-USINPs作用后MC38细胞的ATP分泌水平。(n = 3)，***P < 0.001。(d) bcc-USINPs处理后的MC38肿瘤细胞与未成熟DC细胞共同孵育后，流式细胞术分析DC成熟情况。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

静脉注射iRGD-bcc-USINPs (1 mg/kg，3次) 可使肿瘤发生铁死亡，并通过联合anti-PD-L1免疫检查点阻断疗法的策略，有效增加肿瘤组织中杀伤性T细胞浸润，抑制肿瘤的生长，并形成强大的免疫记忆，实现肿瘤的持续消除。此外，这些尺寸超小的铁纳米颗粒可以从肾脏排出体外，对正常器官组织无毒副作用。

图4. (a) MC38荷瘤小鼠的体内免疫治疗实验方案示意图；(b)不同给药方式后荷瘤小鼠的肿瘤生成曲线；(c) 不同给药方式对荷瘤小鼠的生存期影响；(d) 各组荷瘤小鼠第二次接种肿瘤的生长曲线。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

总的来说，该研究所制备的bcc-USINPs提供了一种简单、安全、高效的肿瘤应答Fe(0)递送系统，用于实现铁死亡增强的免疫治疗。这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society，中国药科大学孙晓莲教授为唯一通讯作者，中国药科大学博士生梁欢、硕士生吴希瑶为本文共同第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Renal Clearable Ultrasmall Single-Crystal Fe Nanoparticles for Highly Selective and Effective Ferroptosis Therapy and Immunotherapy

Huan Liang, Xiyao Wu, Guizhen Zhao, Kai Feng, Kaiyuan Ni, Xiaolian Sun

J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c07471

导师介绍

孙晓莲

https://www.x-mol.com/university/faculty/82556