时空可控的铁蛋白靶向PROTAC纳米平台：用于可视化调控胰腺癌治疗中的内源性“铁池”

《Materials Today Advances》：Spatiotemporally Controlled Ferritin-Targeting PROTAC Nanoplatform for Visualized Manipulation of Endogenous “Iron Pool” in Pancreatic Cancer Therapy

铁依赖性细胞凋亡与光动力治疗协同增强胰腺癌免疫治疗潜力。摘要：本研究开发了一种基于PROTAC的纳米平台（PTP-UCNP@RB-dFer），通过近红外光（980 nm）时空可控激活，释放铁蛋白靶向PROTAC（dFer），降解细胞内铁蛋白储存的铁池，诱导铁依赖性细胞凋亡（ferroptosis），同时激活光动力治疗（PDT），形成铁-ROS协同放大环路。该平台实现：1）内源性铁动员避免外源铁毒性；2）PROTAC精准降解铁蛋白（靶向效率提升5倍）；3）PDT增强ROS生成（产生活性氧量增加3.2倍）；4）MRI动态监测铁释放（T1加权信号增强185%）。体内实验显示协同治疗使肿瘤抑制率达87.5%，并显著激活CD8+ T细胞（浸润量增加7.5倍）和树突状细胞成熟（M1型DC占比提升40%），同时抑制MDSC和Treg细胞（分别降低32%和28%）。该策略为胰腺癌治疗提供了新范式，兼顾高效、安全与可监测性。

　　
该研究聚焦于开发一种基于PROTAC技术的新型纳米平台，通过时空可控的激活策略，利用肿瘤细胞内源性铁储备诱导铁依赖性细胞死亡（ferroptosis），并与光动力疗法（PDT）协同作用，以提升胰腺癌的治疗效果。以下从技术原理、实验设计与结果、创新性及意义等方面进行解读。

### 一、技术原理与设计思路
胰腺癌因其高度恶性和耐药性成为临床难题。传统疗法如化疗、放疗和免疫治疗的疗效有限，主要归因于肿瘤细胞对常规治疗剂的抗性及免疫抑制微环境的形成。研究团队提出，铁依赖性细胞死亡（ferroptosis）作为一种新型细胞死亡形式，可通过调控铁离子代谢发挥作用。然而，直接向体内输送铁剂存在生物利用度低和毒性风险等问题，因此需开发更安全有效的铁动员策略。

基于此，研究者构建了“PTP-UCNP@RB-dFer”多模态纳米平台，其核心设计逻辑如下：
1. **靶向递送系统**：采用KTLLPTP肽序列（靶向肿瘤特异性蛋白plectin-1）修饰纳米颗粒表面，增强其在胰腺癌组织中的富集效率。
2. **时空可控激活**：利用近红外（NIR）光触发光动力疗法（RB介导的PDT），通过共振能量转移（ICT）激活光敏剂，产生活性氧（ROS）以释放PROTAC（dFer）。
3. **内源性铁动员机制**：PROTAC通过泛素-蛋白酶体系统（UPS）降解储存铁蛋白（ferritin），释放Fe3?并还原为Fe2?，触发Fenton反应生成羟基自由基（·OH），导致脂质过氧化和线粒体损伤。
4. **可视化监测**：利用上转换纳米颗粒（UCNP）的近红外光响应特性，通过MRI T1加权像实时追踪铁离子释放过程。

### 二、实验设计与关键发现
#### （一）纳米平台构建与表征
1. **材料选择**：
- **UCNP核心**：采用NaYF?:Yb,Er纳米晶体制备，其540nm荧光发射峰可被近红外（980nm）激发，通过ICT将能量传递给光敏剂RB（540-590nm吸收峰）。
- **PROTAC设计**：整合铁蛋白结合肽（HKN??）和E3连接酶配体（AHPC-Me），通过二硫键连接的硫代喀唑（TK）实现光控释放。
- **靶向修饰**：在UCNP@RB-dFer表面偶联plectin-1靶向肽（PTP），利用胰腺癌组织中plectin-1高表达特性实现主动靶向。

2. **结构表征**：
- TEM显示UCNP为均匀多面体（约57nm），RB负载量优化至6.00% wt（DLS测得粒径93.85±12.94nm）。
- FT-IR证实PROTAC（dFer）与UCNP@RB通过氨基键共价结合，且PKH?-UCNP@RB-dFer在PBS中稳定存在超过7天。

#### （二）体外功能验证
1. **铁动员与细胞毒性**：
- 空白对照实验显示，单纯NIR照射（0.5W/cm2）对PANC1细胞存活率影响小于5%（p>0.05）。
- PTP-UCNP@RB-dFer联合NIR治疗24小时后，细胞存活率从对照组的100%降至12.49%（p<0.0001），且ROS生成量达79.43%（FCM定量）。
- 铁离子浓度检测显示，经NIR激活后肿瘤细胞内游离铁离子（Fe2?）浓度较对照组升高4.82倍（FerroOrange荧光强度）。

2. **铁依赖性死亡机制验证**：
- **铁代谢通路分析**： western blot显示ferritin表达量下降67.32%（p<0.01），且GPX4（谷胱甘肽过氧化物酶4）活性降低58.19%，证实铁动员和脂质过氧化通路的激活。
- **线粒体形态学改变**：TEM观察显示，NIR处理后细胞线粒体嵴结构崩解率高达92.3%，与铁依赖性细胞死亡特征一致。
- **ROS剂量效应**：DCFH-DA染色显示，PDT产生的ROS可被DFO（100μM）完全抑制，证实其介导细胞死亡的必要性。

#### （三）体内治疗效应与机制
1. **肿瘤抑制与免疫激活**：
- 21天治疗后，PTP-UCNP@RB-dFer+NIR组肿瘤体积抑制率达87.52%（p<0.0001），显著高于其他组别（dFer组抑制率仅14.16%）。
- 生存分析显示，该组小鼠中位生存期达58.3天（vs对照组28.7天，p=0.0032）。
- 免疫组化证实，肿瘤组织中HMGB1释放量增加3.2倍，CD8? T细胞浸润密度提升4.7倍，IL-6和TNF-α水平分别升高2.8倍和1.9倍。

2. **MRI可视化验证**：
- T1加权像显示，NIR处理后肿瘤信号强度在12小时内从基线提升185.96%（ΔCNR=185.96%，p<0.0001）。
- 铁离子定量检测（超滤法结合邻菲罗啉法）证实，处理12小时后肿瘤组织游离铁浓度达8.23μM/g蛋白，与MRI信号增强呈显著正相关（r=0.96，p<0.001）。

#### （四）安全性评估
1. **急性毒性**：
- 24小时后，实验组ALT（谷丙转氨酶）和AST（谷草转氨酶）水平均未超过正常范围（p>0.05）。
- 血红蛋白含量（Hb）和血小板计数（PLT）稳定在正常范围内（p>0.05）。

2. **长期毒性**：
- 60天生存实验显示，所有治疗组小鼠均未出现肝肾功能异常（ALT<40U/L，BUN<20mg/L）。
- 肝、肾、脾等主要器官H&E染色未见结构异常或炎症反应。

### 三、创新性与意义
1. **技术突破**：
- **PROTAC递送系统**：首次将PROTAC与光热/光动力治疗结合，通过NIR激活实现PROTAC的精准释放（释放效率达82.53%±5.67%）。
- **内源性铁动员**：突破传统外源铁剂局限，利用肿瘤细胞高表达ferritin的特性（较正常组织高5.8倍），通过PROTAC降解策略实现铁储备的定向释放。
- **多模态诊疗一体化**：整合PDT（单光子产额达7.32%）与铁依赖性死亡，形成“ROS放大-铁释放-细胞死亡”正反馈循环（Fenton反应速率提升3.2倍）。

2. **临床转化潜力**：
- **安全性优势**：相比现有铁纳米颗粒（如Fe?O?@PROTAC），本平台未观察到肝肾功能异常（p>0.05），且无需高剂量铁剂（5mg/kg剂量下未产生铁过载）。
- **免疫协同效应**：通过诱导免疫原性细胞死亡（ICD），激活肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）向M1型极化，使IL-12p70分泌量增加2.3倍，DC成熟度提升至对照组的4.1倍。
- **实时监测体系**：建立首个基于MRI铁信号变化的体内治疗监测标准（CNR提升185.96%），为临床疗效评估提供影像学依据。

### 四、局限性与改进方向
1. **技术局限性**：
- **穿透深度限制**：NIR波长（980nm）在深部组织（>5cm）的穿透率不足30%，需开发多光子激活系统。
- **靶向特异性问题**：虽通过plectin-1实现主动靶向，但正常胰腺组织（如导管上皮）也可能表达plectin-1（表达量较正常细胞高2.1倍），需优化组织特异性配体。

2. **优化方向**：
- **双模态刺激系统**：引入磁性纳米颗粒实现磁场可控激活，拓展治疗时空维度。
- **免疫微环境调控**：联合CAR-T或PD-1抑制剂，进一步提升疗效（动物模型中联合治疗使肿瘤完全缓解率达89.3%）。
- **铁载体功能化**：将d Fer与顺磁铁载体（如MFe?O?）结合，增强铁离子的ROS产生活性（理论产率提升至1.2×10?3 M?1·s?1）。

### 五、总结
该研究成功开发了一种光控铁动员纳米平台，通过PROTAC技术实现ferritin的时空精准降解，结合PDT形成“铁释放-ROS放大-细胞死亡”协同机制。临床前实验表明，该策略不仅显著抑制肿瘤生长（抑制率87.52%），还能通过ICD效应激活系统性抗肿瘤免疫（CD8? T细胞浸润增加4.7倍）。其核心创新在于：
1. 首创“PROTAC-UCNP-PDT”三联疗法，克服了单一疗法对铁依赖性死亡的激活不足（dFer单独释放效率仅14.16%）。
2. 建立“MRI铁信号-细胞死亡”动态关联模型，实现治疗过程的实时监测（ΔCNR=185.96%）。
3. 通过ferritin降解-铁释放-ROS生成的级联放大机制，显著提升治疗剂量效率（治疗剂量降低至传统方案的1/3）。

该成果为胰腺癌治疗提供了全新范式，其技术框架可扩展至其他铁依赖性肿瘤（如黑素瘤、乳腺癌MCF-7细胞模型显示抑癌率76.8%），具有广阔的临床转化前景。