铁死亡是一种铁依赖性的程序性细胞死亡途径。一般认为，铁死亡的机制是以细胞内氧化还原失衡和活性氧（ROS）的大量累积为特征。ROS的异常产生和积累会进一步导致脂质过氧化物（LPO）的聚集和谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）活性的抑制。然而，肿瘤细胞内过表达的GSH（2-10 mM）以及不够充足的H2O2（50-100 µM）通常导致抗肿瘤效果不佳。多模式癌症疗法为肿瘤治疗带来了新的契机，在不同机制的协同作用下可以显著提高抗癌功效。多模式治疗过程中丰富的ROS生成（包括羟基自由基（·OH）和单线态氧（1O2））和GSH耗竭能够显著改善癌细胞对氧化应激的敏化作用，从而放大铁死亡疗效。然而，目前大多数多模式疗法要么依赖于多种功能纳米材料和药物分子的复杂组合，要么涉及使用体内降解性/代谢性较差的纳米药物，从而限制了其临床转化能力。因此亟待开发简便合成策略制备纳米药物，用于多种治疗模式的协同应用，以显著提高铁死亡治疗效果。
基于此，中国科学院长春应用化学研究所林君研究员、马平安研究员团队通过配位驱动自组装策略制备了由声敏剂Ce6、GSH耗竭剂萘茜和Fe3+组成的金属多酚纳米制剂（FNCP NFs），将其作为氧化还原稳态破坏剂和ROS产生器，从而实现增强的铁死亡治疗（图1）。FNCP NFs被肿瘤细胞吞噬后，可实现超声促进的肿瘤微环境特异性释放Fe2+、萘茜和Ce6。释放的Ce6作为声敏剂可通过超声激活产生1O2。Fe2+介导的Fenton反应可催化胞内H2O2产生高细胞毒性的·OH，与1O2一起诱导癌细胞凋亡。由声动力治疗（SDT）和化学动力学治疗（CDT）执行过程中产生的ROS可导致LPO的有效积累，从而引发铁死亡。此外，超声促进释放的萘茜和Fe3+/Fe2+自循环价态交替可赋予FNCP NFs持续耗竭GSH的能力，从而放大胞内氧化应激，使GPX4蛋白表达下调，进一步促进SDT/CDT诱导的LPO积累，从而提高铁死亡治疗效率。相关工作以“Tumor Microenvironment-Activatable Metal-Phenolic Nanoformulations for Ultrasound-Boosted Ferroptosis through Triple Regulatory Pathways”为题发表在期刊Advanced Functional Materials上。
图1. 本工作机理图。
通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱技术（XPS）、X射线衍射（XRD）等表征测试证实了FNCP NFs的成功合成，并确定其为无定型结构，Fe的价态为+3价。进一步通过傅立叶变换红外吸收光谱仪（FTIR）、紫外-可见分光光度法（UV-vis）、纳米粒度分析仪等证明了FNCP NFs的成功制备（图2）。
图2. FNCP NFs的合成及表征。
材料的基本表征证实了FNCP NFs的微酸性和GSH双重响应释放特性，并初步验证了FNCP NFs的GSH耗竭、ROS生成以及Fe3+还原能力（图3）。
图3. FNCP NFs的基本表征。
细胞实验验证了FNCP NFs的体外抗肿瘤活性及作用机制（图4, 5）。细胞毒性实验表明FNCP NFs对小鼠乳腺癌（4T1）细胞有显著毒性，且在超声条件下表现出增强的细胞毒性。FNCP NFs在超声条件下可引起肿瘤细胞内显著的GSH耗竭、GPX4蛋白表达下调、ROS的大量生成以及LPO的积累，表明SDT、CDT和持续性的GSH耗竭可协同增强铁死亡。三种铁死亡抑制剂（GSH、DL-α-生育酚（VE）和铁抑素-1（Fer-1））能够明显减轻FNCP NFs在超声处理过程中引起的细胞损伤，表明铁死亡在FNCP NFs诱导的细胞死亡中占有重要地位，有利于进一步促进线粒体的损伤。此外，流式细胞术实验证明FNCP NFs在超声辐照下可有效诱导癌细胞发生凋亡。上述细胞实验结果表明，FNCP NFs在超声照射下不仅能够通过SDT/CDT有效产生大量ROS，作为攻击肿瘤细胞的“利剑”，还能通过超声增强释放的萘茜和Fe3+引起的双重GSH耗竭诱导胞内氧化还原环境失衡，从而破坏保卫癌细胞免于ROS攻击的“屏障”，最终导致癌细胞发生凋亡和铁死亡。
图4. 细胞毒性测试及GSH、GPX4、ROS、LPO水平表征。
最后团队选用BALB/c小鼠构建乳腺癌肿瘤模型来验证FNCP NFs的体内抗肿瘤能力。肿瘤体积变化、切片检测显示FNCP NFs在超声辐照下可显著抑制4T1肿瘤生长（图6）。
图6. 体内抗肿瘤实验。
综上，本工作通过简单的配位自组装方法构建了一种具有弱酸及GSH响应能力的Fe3+-Ce6-萘茜金属多酚纳米制剂（FNCP NFs）。在超声辐照和肿瘤微环境共同刺激下，FNCP NFs可以快速分解并释放大量Fe2+、Ce6和萘茜。Fe3+与GSH之间的还原反应及萘茜与GSH之间的迈克尔加成反应可导致GSH被大量消耗，从而引起胞内氧化还原环境失衡。同时，GSH的耗竭大幅提高了Fe2+的化学动力学治疗效果和Ce6的声动力治疗效果，从而促进GPX4的下调和LPO的累积，导致肿瘤细胞发生铁死亡。得益于GSH耗竭增强的SDT及CDT协同治疗效果，体外及活体实验结果均充分证明FNCP NFs纳米粒子可以高效抑制肿瘤生长。FNCP NFs的设计和合成扩展了金属多酚网络的生物医学应用，同时为增强铁死亡疗效提供了新的方法。
通讯作者简介：
马平安 研究员：
马平安，中国科学院长春应用化学研究所研究员，博士生导师，国家优秀青年基金获得者（2019），吉林省中青年科技创新团队负责人。2010年毕业于东北师范大学，获博士学位。主要研究方向为无机纳米材料及生物医学应用。在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Mater. Today、Adv. Sci.、Biomaterials等国际学术期刊上发表SCI论文150余篇，被他人正面引用11000余次，H-index为59。获得吉林省自然科学一等奖（2022，排名第1）等科研奖励6项；主持国家自然科学基金、国家重点研发计课题等科研项目10余项。担任中国稀土学会发光专业委员会秘书长、稀土晶体专业委员会委员、稀土生物医学专业委员会委员、中国核学会分会理事，以及“Chinese Chemical Letters”、“Nano Research”、“分析化学”、“应用化学”等期刊编委/青年编委。
林君 研究员：
林君，中国科学院长春应用化学研究所研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，英国皇家化学会会士，科技部重点领域创新团队负责人，中国稀土学会理事，中国稀土学会发光专业委员会主任，Scientific Reports、中国稀土学报（中英文版）和发光学报编委。2002年获得国家杰出青年科学基金；2004年获得国务院政府特殊津贴；2007年入选“新世纪百千万人才工程国家级人选”；2017年入选万人计划“科技创新领军人才”。课题组自2000年以来一直从事纳-微米结构发光材料的控制合成、形态结构和性能调控及其在显示照明及生物医学领域的应用基础研究。在各种稀土发光材料的形貌控制技术、发光薄膜及其图案化技术、特色FED发光材料、多功能稀土上转换发光材料在生物成像和药物控制传递与释放等方面做出了具有原始创新和国际影响的研究工作。曾经/正在承担科技部973项目子课题、国家自然科学基金杰出青年基金项目、重点项目以及若干面上项目和国际合作项目。2009年和2014年分别获吉林省科技进步一等奖和吉林省自然科学一等奖。2014-至今连续入选“汤森路透全球材料领域高被引科学家”名录。至今已在国内外核心期刊如Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Mater. Today、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.等上面发表学术论文900余篇，截止目前这些论文共被他人引用7万余次（H指数142）；获授权中国发明专利12项。应邀参加和参与组织国内外重要学术会议并做邀请报告100余次；获得2020年度中科院优秀导师奖，培养博士硕士研究生80余人（其中2人获得中国科学院院长特别奖，5人获得中国科学院院长优秀奖）。
