综述：纳米材料驱动的调节性细胞死亡：机制见解及肿瘤治疗新策略

《International Journal of Nanomedicine》：Nanomaterial-Driven Regulated Cell Death: Mechanistic Insights and Novel Strategies for Tumor Therapy

本综述系统阐述了纳米材料（NMs）通过诱导坏死性凋亡（necroptosis）、焦亡（pyroptosis）、铁死亡（ferroptosis）和铜死亡（cuproptosis）等新型调节性细胞死亡（RCD）在肿瘤治疗中的前沿进展。文章深入探讨了NMs触发RCD的关键分子机制（如RIPK1-RIPK3-MLKL、NLRP3/GSDMD通路），及其在调控肿瘤增殖/转移、肿瘤微环境（TME）重塑和逆转耐药性中的双重作用，并展望了基于NMs的协同治疗策略在克服肿瘤耐药方面的巨大潜力。

　　

纳米材料诱导肿瘤细胞RCD：机制解析

纳米材料凭借其独特的物理化学性质，能够通过多种机制诱导肿瘤细胞发生调节性细胞死亡，为肿瘤治疗提供了新视角。

坏死性凋亡

坏死性凋亡的特征是细胞肿胀、细胞器膜破裂和细胞膜穿孔，其核心分子事件是RIP1、RIP3和MLKL形成坏死小体。研究表明，银纳米颗粒（Ag NPs）可通过上调RIP1、RIP3和MLKL的蛋白水平诱导人胰腺导管腺癌细胞（PANC-1）发生坏死性凋亡。氧化石墨烯氯喹纳米复合物则通过诱导自噬体积累，增加自噬受体蛋白p62的表达，进而招募RIPK1并促进RIPK1-RIPK3-MLKL复合物在自噬体上组装，启动坏死性凋亡。此外，纳米材料还能通过上调Z-DNA结合蛋白1（ZBP1）表达或抑制caspase-8的活性来稳定坏死性凋亡关键蛋白，从而促进这一死亡程序的发生。

焦亡

焦亡是一种依赖于炎性 caspase（主要是caspase-1）和Gasdermin家族蛋白的炎性程序性细胞死亡。经典的焦亡通路由NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）炎症小体激活caspase-1，进而切割Gasdermin D（GSDMD），其N端片段在细胞膜上成孔，导致细胞内容物释放和强烈的炎症反应。纳米材料及其相关分子模式可作为危险信号激活NLRP3炎症小体。例如，一种利用癌细胞膜靶向线粒体的药物递送系统Ca@GOx可诱导线粒体Ca²⁺超载和活性氧（ROS）生成，从而触发肿瘤细胞焦亡。除了caspase-1/GSDMD通路，caspase-3也能切割高表达Gasdermin E（GSDME）的肿瘤细胞（如SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞）中的GSDME，引发焦亡。有研究利用载有地西他滨的仿生纳米颗粒上调GSDME表达，增强了caspase-3对GSDME的切割，促进了癌细胞的焦亡。

铁死亡

铁死亡在形态上以线粒体皱缩、嵴减少或消失、膜密度增加为特征，其核心生化基础是铁依赖的脂质过氧化物（LPO）的过度累积。纳米材料可通过芬顿（Fenton）反应产生高毒性的羟基自由基（·OH），导致ROS大量生成和细胞膜脂质过氧化，从而诱导铁死亡。例如，体心立方结构的铁纳米颗粒（bcc-Fe NPs）在酸性条件下能高效催化Fenton反应，在HepG2肝癌细胞中诱导铁死亡。另一方面，纳米材料也可以通过递送系统Xc^?抑制剂（如伊拉斯汀类似物）或谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）抑制剂（如RSL3），消耗谷胱甘肽（GSH）或抑制GPX4活性，削弱细胞的抗氧化能力，从而诱发铁死亡。

铜死亡

铜死亡是近期发现的一种新型调节性细胞死亡，其关键调控蛋白包括铁氧还蛋白1（FDX1）、硫辛酸合成酶（LIAS）和二氢硫辛酰胺S-乙酰转移酶（DLAT）。FDX1将Cu²⁺还原为更具毒性的Cu⁺，并调控蛋白质硫辛酰化。细胞内Cu⁺过量会与硫辛酰化蛋白（如DLAT）结合，诱导其寡聚化，同时降低线粒体Fe-S簇蛋白水平，最终导致蛋白质毒性应激和细胞死亡。氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）可增加人滋养层细胞内的Cu²⁺水平，引起DLAT寡聚化，触发铜死亡。值得注意的是，GSH的耗竭是铁死亡和铜死亡共同的调控机制之一，补充GSH可同时抑制这两种死亡方式。

将RCD整合入肿瘤生物学

新型RCD不仅在直接杀伤肿瘤细胞中发挥作用，更深层次地影响着肿瘤的生物学行为。

肿瘤细胞增殖、侵袭和转移

RCD相关信号通路与肿瘤的恶性进展密切相关。坏死性凋亡缺陷（如RIP3低表达）常见于多种肿瘤，并促进肿瘤发生发展。然而，慢性、低水平的坏死性凋亡也可能通过持续释放免疫抑制分子（如CXCL1）招募髓系来源的抑制细胞（MDSCs）和肿瘤相关巨噬细胞（TAMs），反而促进肿瘤生长。焦亡的关键分子NLRP3和GSDMD在肿瘤中扮演着“双刃剑”角色，在不同癌种中或抑制或促进肿瘤的增殖与转移。铁死亡的关键分子系统Xc^?（由SLC7A11和SLC3A2组成）和GPX4的活性与肿瘤细胞的增殖和侵袭能力负相关，而诱导铁死亡则可有效抑制这些恶性行为。铜死亡相关基因（CRGs）如FDX1的过表达被证明可以抑制结直肠癌和肝细胞癌（HCC）的生长和转移。

肿瘤微环境

RCD深刻影响着肿瘤微环境的免疫状态。坏死性凋亡细胞释放的损伤相关分子模式（DAMPs）可以激活树突状细胞（DCs）和CD8⁺ T细胞，激发抗肿瘤免疫。然而，RIPK3的高表达也可能通过激活CXCL1信号招募MDSCs和TAMs，形成促肿瘤的TME。CD8⁺ T细胞通过分泌干扰素-γ（IFN-γ）下调肿瘤细胞中SLC7A11的表达，从而诱导铁死亡，是其杀伤肿瘤的重要机制。相反，TAMs可通过细胞外囊泡递送铜蓝蛋白mRNA，降低肿瘤细胞内铁含量和脂质过氧化，抑制铁死亡。焦亡的肿瘤细胞释放的肿瘤相关抗原和炎性因子（如IL-1β、IL-18）可以促进抗肿瘤免疫，但过量释放的IL-1β也可能招募MDSCs，抑制免疫应答。铜死亡相关基因的表达水平与TME中免疫细胞（如CD8⁺ T细胞、DCs）的浸润程度密切相关，影响免疫治疗效果。癌症相关成纤维细胞（CAFs）则可通过外泌体等途径传递非编码RNA，调控肿瘤细胞对铁死亡、铜死亡的敏感性，影响肿瘤进展。

治疗抵抗

RCD在肿瘤耐药中发挥着复杂而关键的作用。诱导铁死亡可以逆转乳腺癌对他莫昔芬、胶质母细胞瘤对替莫唑胺的耐药性。诱导铜死亡可改变前列腺癌对多西他赛的敏感性。然而，在特定情况下，RCD也可能促进耐药。例如，卵巢癌细胞诱导大网膜脂肪细胞发生焦亡，释放的游离脂肪酸被肿瘤细胞利用，激活STAT3/CPT1B通路，从而抵抗化疗药物诱导的凋亡。在肿瘤免疫治疗中，CD8⁺ T细胞诱导的肿瘤细胞铁死亡是免疫杀伤的重要机制，而肿瘤干细胞通过激活NRF2/GPX4等抗氧化系统产生铁死亡耐受，则会导致免疫治疗抵抗。激活坏死性凋亡或铜死亡，则可以通过促进CD8⁺ T细胞浸润来逆转肿瘤的免疫抵抗。

基于纳米材料的抗肿瘤设计策略

纳米材料为精准诱导RCD并克服肿瘤耐药提供了强大的技术平台。

联合光热或光动力疗法抑制肿瘤增殖

研究者设计了多种靶向纳米系统，用于特异性诱导肿瘤细胞RCD。例如，靶向VIM蛋白的二硫键交联多肽纳米凝胶可诱导RIP1/RIP3依赖的坏死性凋亡，抑制骨肉瘤增殖和肺转移。载有铁离子和GPX4抑制剂RSL3的巨噬细胞膜包被纳米平台可在去势抵抗性前列腺癌细胞中有效诱导铁死亡。靶向CXCR4的自组装纳米胶束可通过激活caspase-3/GSDME通路引发头颈部鳞状细胞癌焦亡。将声敏剂HMME与铜死亡诱导剂Elesclomol-Cu结合，不仅直接诱导铜死亡，还能通过消耗GSH增强声动力疗法（SDT）疗效。

通过释放DAMPs激活抗肿瘤免疫应答

纳米材料诱导的RCD往往伴随DAMPs（如HMGB1、钙网蛋白CRT、ATP）的释放，从而激活抗肿瘤免疫。例如，一种纳米复合材料诱导胆管癌细胞发生坏死性凋亡，释放的DAMPs增强了抗原呈递，促进了M1型巨噬细胞浸润。代谢靶向的Cu_2-xS纳米剂通过铜死亡诱导免疫原性细胞死亡（ICD），促进M2巨噬细胞向M1型转化。载有GSDME表达质粒和碳酸锰的纳米脂质体可上调肿瘤细胞GSDME表达，同时增加DCs的浸润和抗原摄取能力。零价铁纳米颗粒通过诱导铁死亡，显著增强了CD8⁺ T细胞的细胞毒性并促进M1巨噬细胞极化。铜替代的ZnAl三元层状双氢氧化物纳米片联合SDT诱导铜死亡和ICD，促进了DCs成熟和CD8⁺ T细胞活性。

通过调控关键信号克服肿瘤耐药

纳米材料可通过改善药物递送效率和改变肿瘤细胞对药物的反应来逆转耐药。近红外激活的光热治疗系统可诱导乳腺癌细胞发生TNF-α/RIPK1通路介导的坏死性凋亡，克服凋亡抵抗。铁铂合金纳米颗粒通过Fenton反应产生高水平ROS，抑制酪氨酸激酶抑制剂耐药肺癌细胞的增殖迁移。Ellagic acid-铜纳米平台联合多柔比星可降低ATP依赖性P-糖蛋白（P-gp）表达，克服乳腺癌多药耐药。受控电离辐射释放铜离子的纳米胶囊可逆转肿瘤的放疗抵抗。

纳米材料理化性质对抗肿瘤活性的影响

纳米材料的理化性质（如尺寸、形状、表面修饰）深刻影响其细胞摄取、亚细胞分布以及诱导的RCD类型和效率。通常，较小的纳米颗粒更易穿透细胞膜和核膜，产生更多ROS，表现出更强的细胞毒性。然而，中等尺寸（约50纳米）的金纳米颗粒（Au NPs）由于膜包裹能量和受体-配体结合动力学的平衡，可能表现出最高的细胞摄取率。不同尺寸的纳米颗粒可能激活不同的RCD通路，如小尺寸硅纳米颗粒（<20 nm）直接穿透膜引发坏死性凋亡，而较大尺寸（50 nm）则通过内吞作用主要引发凋亡。纳米材料的形状也影响内化速率和RCD类型，棒状纳米材料通常比球形材料更易被细胞摄取。表面修饰（如配体修饰、亲水化修饰PEG）可增强靶向性、生物相容性和循环时间。表面电荷也至关重要，阳离子纳米材料通常因“质子海绵效应”具有更强的细胞毒性，可能在不同浓度下诱导凋亡或坏死。

挑战与未来方向

尽管纳米材料驱动RCD的肿瘤治疗策略前景广阔，但仍面临诸多挑战。纳米材料理化性质对RCD诱导效应的规律尚不完善，存在不一致性。RCD与TME的相互作用，特别是对免疫抑制细胞（如Tregs、MDSCs）和基质细胞（如CAFs）的影响仍需系统评估。纳米材料的体内分布、代谢、长期生物安全性数据不足，阻碍其临床转化。未来研究应着重于优化纳米材料的设计（如TME响应性纳米平台），建立标准化评价模型，阐明RCD、TME和代谢信号间的复杂互作，并发展联合多种RCD通路、光热/光动力疗法、免疫检查点抑制剂的多模式协同治疗策略，以推动其向临床的可靠转化。