《International Journal of Nanomedicine》：Metal-Based Nanomedicines for Inducing Programmed Cell Death to Enhance the Efficacy of Cancer Immunotherapy
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本综述系统阐述了铁、铜、钙、锌、锰等金属离子通过诱导程序性细胞死亡（PCD），如铁死亡（Ferroptosis）、铜死亡（Cuproptosis）、钙死亡（Calcicoptosis）等，重塑免疫抑制肿瘤微环境（TME），进而增强癌症免疫疗法（如抗PD-1/PD-L1疗法）疗效的最新进展。文章重点探讨了基于金属离子的纳米载药系统在靶向递送、增效减毒以及协同免疫检查点抑制剂等方面的设计策略与应用潜力，并对临床转化面临的挑战与未来方向进行了展望。
Abstract
金属离子在各种生理过程中发挥着不可或缺的作用，细胞内的金属离子稳态受到严格调控。细胞内金属离子稳态的失调可触发程序性细胞死亡（PCD）。近年来，金属离子作为有效的免疫调节剂和增强剂，通过调节免疫抑制性肿瘤微环境和触发免疫刺激反应，在癌症免疫治疗中的应用得到了广泛探索。
Introduction
癌症是全球主要的健康问题，也是导致死亡的主要原因。目前，化疗、手术、放疗、靶向治疗和免疫治疗是癌症的主要治疗策略。近年来，程序性细胞死亡（PCD）作为一种诱导细胞自杀的有效方法，已成为癌症治疗的研究热点。PCD由内源性和外源性因素引发，这些因素破坏了细胞稳态，并在特定的分子通路下触发细胞自杀。多种PCD类型，如铁死亡、铜死亡、钙死亡、凋亡、焦亡、坏死性凋亡和PANoptosis已被阐明，并作为癌症治疗的靶点。金属离子对细胞稳态具有重要影响，越来越多的研究表明几种金属离子可以诱导PCD，为癌症治疗提供了新的见解。
PCD已被证明与调节免疫抑制性肿瘤微环境（TME）和触发免疫刺激反应有关。利用患者免疫系统对抗癌细胞的癌症免疫疗法已经彻底改变了癌症治疗。然而，尽管癌症免疫疗法取得了巨大成就，但患者反应率低，相当大比例的患者未能从癌症免疫疗法中获得临床益处。诱导PCD与免疫疗法相结合的治疗潜力被提出作为提高癌症免疫疗法疗效的一种有前景的方法。然而，金属离子用于引发PCD的临床应用受到选择性不足、靶向能力差、毒性以及全身离子代谢失调的显著限制。因此，迫切需要将金属离子靶向递送至恶性细胞，以提高治疗效果，同时最大限度地减少全身副作用。
过去几十年，纳米技术取得了显著进步，多种纳米药物被批准并上市用于癌症治疗。纳米颗粒可以提高疏水性药物的溶解度、不稳定药物的稳定性，调节负载药物的药代动力学和生物分布，通过表面修饰实现被动靶向和主动靶向，逆转耐药性，并最大限度地降低毒性。基于纳米颗粒的递送系统可以实现金属离子的靶向递送，增强其诱导PCD的能力，并最大限度地减少脱靶毒性。
Nanoparticles for Ferroptosis and Cancer Immunotherapy
铁死亡（Ferroptosis）于2012年由Dixon等人首次发现，是一种以铁驱动的脂质过氧化为特征的PCD模式。铁死亡的调控机制主要涉及铁代谢、脂质过氧化和抗氧化机制。
铁代谢方面，细胞外三价铁离子（Fe3+）与转铁蛋白（TF）结合，通过转铁蛋白受体1（TFR1）内吞进入细胞。Fe3+在内涵体中被六跨膜前列腺上皮抗原3（STEAP3）还原为二价铁离子（Fe2+），然后通过二价金属转运蛋白1（DMT1）释放到细胞质中。Fe2+可通过Fenton反应产生活性氧（ROS）。铁蛋白重链1表达减少和TFR1过表达等铁代谢相关基因的失调可导致细胞内铁大量积累，引发ROS激增，最终导致细胞易于发生铁死亡。
脂质过氧化方面，多不饱和脂肪酸（PUFA）是细胞膜的重要组成部分，是脂质过氧化的关键刺激物。PUFA在酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）的催化下与长链酰基辅酶A（CoA）酯化，生成PUFA-CoAs。溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（LPCAT3）负责将PUFA-CoAs递送至细胞膜磷脂中，随后发生脂质过氧化。脂氧合酶（LOX）或自动氧化作用可氧化磷脂中的PUFA，产生铁依赖性的脂质过氧化物，这是铁死亡的标志。
抗氧化机制方面，System Xc?是一种氨基酸反向转运体，以1:1的化学计量比调节胱氨酸和谷氨酸的交换，对细胞摄取胱氨酸至关重要。胱氨酸在细胞内转化为半胱氨酸，后者是合成谷胱甘肽（GSH）不可或缺的前体。GSH是一种内源性抗氧化剂，通过谷胱甘肽过氧化物酶（GPXs）清除ROS。因此，抑制System Xc?会导致细胞内GSH耗竭和谷氨酸增加，从而参与ROS的产生。GPX4具有降解多种脂质过氧化物、阻断脂质过氧化有害级联反应的能力，在铁死亡中发挥关键作用。GPX4活性的急剧下降会导致ROS过量产生和氧化应激升高，诱导铁死亡。
铁死亡与癌症免疫治疗之间存在相互作用。铁死亡在调节免疫抑制微环境和免疫细胞分化中扮演重要角色。例如，铁死亡诱导剂可使M2巨噬细胞复极化为M1表型，铁可促进M1极化。Treg细胞和髓源性抑制细胞等具有免疫抑制作用的细胞可通过高表达GPX4等方式拮抗铁死亡，诱导这些细胞发生铁死亡可能逆转其免疫抑制功能。铁死亡伴随氧化产物和损伤相关分子模式（DAMPs，如高迁移率族蛋白B1 HMGB1）的释放，可触发炎症和免疫反应。铁死亡细胞释放的脂质细胞因子可作为“找我”信号，招募抗原呈递细胞等免疫细胞。此外，免疫细胞通过释放细胞因子（如CD8+T细胞释放的干扰素γ，巨噬细胞释放的转化生长因子-β）可触发癌细胞铁死亡。
纳米技术为增强抗肿瘤免疫反应提供了有效途径。多种用于递送铁离子、诱导铁死亡以增强癌症免疫治疗的纳米药物已被开发出来。例如，由铁金属有机框架（MOF）组成的新型纳米酶可用于递送胆固醇氧化酶和聚乙二醇化修饰，在消耗胆固醇、产生过量H2O2、提升ROS和脂质过氧化物水平以促进铁死亡的同时，还能通过降低PD-L1表达、促进树突状细胞（DCs）成熟和M1巨噬细胞极化、 revitalizing exhausted CD8+T cells等方式增强免疫原性细胞死亡（ICD），与PD-1抑制剂联用可发挥协同治疗作用。其他纳米平台，如多功能纳米复合材料、水凝胶、仿生纳米颗粒等，也展示了通过诱导铁死亡有效增强抗PD-1/PD-L1疗法效果的潜力。
Nanoparticles for Cuproptosis and Cancer Immunotherapy
铜死亡（Cuproptosis）是2022年发现的一种由过量铜诱导的、不同于其他模式的PCD。其特征是细胞内铜的过度积累，导致线粒体功能障碍和毒性蛋白应激，最终引发细胞死亡。
铜死亡机制方面，细胞内铜稳态由转运蛋白严格调控。铜离子载体Elesclomol可将Cu2+转运入细胞。过量铜可直接与三羧酸循环中的硫辛酰化蛋白（如二氢硫辛酰胺S-乙酰转移酶DLAT）结合，导致蛋白寡聚化。铜离子还可破坏铁硫簇蛋白的合成。这些步骤协同导致蛋白毒性应激反应，最终引发铜死亡。铁氧还蛋白1（FDX1）在将Cu2+还原为毒性更强的Cu+以及促进蛋白硫辛化方面起关键作用。谷胱甘肽（GSH）可通过与Cu2+结合形成复合物来降低游离Cu2+浓度，抑制铜死亡。
铜死亡与癌症免疫治疗关系密切。铜死亡可通过环鸟苷酸-腺苷酸合成酶-干扰素基因刺激因子（cGAS-STING）通路增强抗癌免疫力，激活肿瘤抗原呈递。铜死亡还能显著刺激线粒体DNA释放，从而在体内通过cGAS-STING信号激活先天免疫，促进I型干扰素分泌和DCs成熟，并激活T细胞免疫。此外，铜死亡可增强CD8+T细胞向肿瘤组织的浸润及其细胞毒性。
为避免铜过量带来的肝毒性、神经毒性等副作用，纳米技术为调控铜死亡、增强免疫治疗提供了方案。多种铜基纳米药物被开发出来，例如仿生铜死亡放大器、水凝胶、纳米杂化材料、金属有机框架（MOF）纳米颗粒、聚合物胶束等。这些纳米系统能够在肿瘤微环境中特异性释放铜离子，诱导铜死亡，并同时促进DCs成熟、T细胞浸润、逆转免疫抑制微环境，与抗PD-1/PD-L1抗体联用可显著增强抗肿瘤免疫反应，抑制肿瘤生长和转移。
Nanoparticles for Calcicoptosis and Cancer Immunotherapy
钙超载通常表现为细胞质或线粒体中Ca2+的过度积累，在某些条件下可通过一种独特的机制导致细胞死亡，即钙死亡（Calcicoptosis）。
钙死亡机制方面，内质网（ER）应激下，Ca2+从内质网持续释放到细胞质，导致细胞质Ca2+浓度升高，并转运至线粒体，引起线粒体Ca2+超载。这可能导致线粒体通透性转换孔开放，引起线粒体肿胀、破裂及其内容物释放，诱导细胞坏死。钙离子也参与调节坏死性凋亡、焦亡、自噬等其他PCD。
钙死亡与癌症免疫治疗相关联。细胞内钙离子在免疫细胞活化中起重要作用，靶向增加细胞内钙离子可显著刺激细胞毒性淋巴细胞增殖。钙超载触发的坏死可导致DAMPs（如HMGB1）释放，激活巨噬细胞和DCs。钙超载还有助于内质网中的钙网蛋白暴露，向髓系细胞传递强烈的促吞噬信号。此外，细胞质钙离子增加可激活p38和核因子κB（NF-κB），将肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）复极化为M1表型。
为避免高钙血症等副作用，靶向递送Ca2+的纳米医学策略被广泛应用。碳酸钙（CaCO3）基纳米颗粒是最常用的钙超载治疗载体。pH响应的CaCO3纳米颗粒可在酸性TME中反应，释放Ca2+，引发钙超载，导致DAMP信号释放和TAMs向M1表型复极化，增强DCs的肿瘤抗原呈递，从而触发T细胞调节的免疫反应，与抗PD-1抗体联用可抑制原发性和转移性肿瘤生长。其他如CaO2纳米颗粒、锰掺杂的硫化钙纳米颗粒等，也能通过诱导钙超载、激活cGAS-STING通路等方式，增强免疫检查点抑制剂的疗效。
Zinc-Based Nanoparticles and Cancer Immunotherapy
锌离子在多种生理和细胞过程中发挥重要作用，其跨膜运输由锌转运蛋白（ZIPs和ZnTs）协同调控。
锌离子可触发多种PCD。锌离子可通过促进Bax表达、触发细胞色素C释放和caspase 3激活来诱导凋亡。锌离子还可通过激活瞬时受体电位粘蛋白1（TRPML1）通道，触发溶锌死亡（Lysozincrosis）。锌离子也能通过ERK1/2、MTF1、CaMKKb/AMPK等通路诱导自噬，并能触发坏死性凋亡、铁死亡和焦亡。
锌离子可增强T细胞、B细胞、自然杀伤（NK）细胞等多种免疫细胞的活性，促使巨噬细胞向M1表型极化，并通过抑制免疫检查点蛋白表达来增强抗癌免疫反应。锌离子还可作为免疫佐剂激活cGAS-STING信号通路，从而激活抗癌免疫。
纳米递送系统可实现锌离子的靶向递送，减少其神经毒性等副作用。已开发的锌基纳米药物包括锌-酚醛纳米胶囊、锌过氧化物纳米复合材料、锌-铜双金属纳米平台等。这些纳米系统可诱导癌细胞焦亡、铁死亡，激活cGAS-STING通路，促进DCs成熟和T细胞浸润，与抗PD-1/PD-L1抗体联用可显著增强免疫治疗效果，产生长期免疫记忆。
Manganese-Based Nanoparticles and Cancer Immunotherapy
锰是人体必需的微量元素，参与多种生理过程。高浓度锰离子可诱导PCD。
锰依赖性细胞死亡机制多样。锰离子可下调System Xc?，导致GSH耗竭，引发ROS积累和脂质过氧化，导致细胞死亡。锰离子可催化类Fenton反应和Haber-Weiss反应产生ROS。锰离子还会破坏铁稳态，并可通过缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）/p53/SLC7A11等信号通路触发铁死亡。此外，锰离子也能诱导凋亡、坏死、坏死性凋亡等。
锰离子在免疫调节中发挥关键作用。锰离子能显著增强cGAS与其激动剂DNA底物的亲和力，激活cGAS-STING通路，导致I型干扰素和多种促炎细胞因子的产生，从而增强免疫监视、NK细胞和巨噬细胞的细胞毒性，以及T细胞的活化和增殖。锰离子还能调节抗原呈递细胞的功能，上调其膜上共刺激分子的表达。
锰的神经毒性等限制了其直接应用，纳米递送系统有助于其靶向治疗。已开发的锰基纳米材料包括锰-酚醛网络平台、二氧化锰（MnO2）纳米颗粒、锰钼酸盐纳米颗粒、锰基层状双氢氧化物（LDH）纳米片、锰基金属有机框架（MOF）等。这些纳米材料可诱导铁死亡、凋亡等PCD，激活cGAS-STING通路，促进DCs成熟和T细胞浸润，将“冷”肿瘤转化为“热”肿瘤，与免疫检查点抑制剂联用可显著抑制肿瘤生长和转移，并产生远端效应。
Perspectives
尽管金属离子诱导PCD以增强癌症免疫治疗展现出广阔前景，但仍面临诸多挑战。金属离子介导PCD及PCD增强免疫反应的精确分子机制和信号通路尚未完全阐明，需进行深入的机制研究。金属离子及金属基纳米材料的代谢和长期安全性未知，需进一步评估。需要优化材料配方，开发生物相容性更好的纳米材料。肿瘤异质性及其演变是影响免疫治疗疗效的复杂因素，如何结合PCD诱导实现个性化治疗是未来的研究方向。纳米药物的制备工艺复杂化和标准化问题制约其从实验室向工业级的放大，应考虑其成药性，设计更简单、生物相容性更好的纳米系统。目前尚无金属离子与癌症免疫治疗相关的临床试验，需要受控的临床试验来界定其局限性和有效性。
Conclusion
综上所述，利用金属离子诱导PCD来放大免疫治疗疗效的策略已在科学研究中展现出令人鼓舞的成果。基于对PCD和肿瘤异质性的深入研究，未来有望开发出更简单、更安全的纳米载体用于个性化治疗，这些方法有望在不久的将来实现临床转化，使患者从免疫治疗中获益。
