《Biomaterials》：Biomimetic Cascade “Four-in-one” Nanozyme for Remodeling the Redox Tumor Microenvironment and Disrupting Energy Homeostasis to Enhance Ferroptosis against Triple-Negative Breast Cancer
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三阴性乳腺癌治疗中，设计了一种四合一生物模拟纳米酶APCM（AuPd/Cu?O@肿瘤细胞膜），通过过氧化物酶样催化产羟基自由基、葡萄糖氧化酶样阻断能量供应、过氧化氢酶样缓解缺氧及谷胱甘肽过氧化物酶样耗竭抗氧化剂，协同触发铁死亡。同时APCM具有光热治疗增强催化效率及双模成像功能，实现精准诊疗。
雷蕾|刘安安|王泽|梁浩|安德鲁·K·惠特克|郭辉|林全
吉林大学第一医院乐群分院内分泌科，长春130031，中国
摘要
铁死亡（Ferroptosis）作为治疗三阴性乳腺癌（TNBC）的一种有前景的策略，由于肿瘤内在的防御机制而面临重大挑战。为了增强铁死亡对TNBC的疗效，研究人员设计了一种仿生“四合一”级联纳米酶AuPd/Cu?O@癌细胞膜（APCM），以重塑肿瘤的氧化还原微环境并破坏癌细胞的能量代谢。APCM纳米酶将四种酶模拟活性整合到一个纳米平台上，包括过氧化物酶样、葡萄糖氧化酶样、过氧化氢酶样和谷胱甘肽过氧化物酶样活性。这种协同级联反应将内源性H?O?转化为细胞毒性·OH，耗尽葡萄糖以阻断能量供应，同时自我供应H?O?，缓解缺氧，并耗尽谷胱甘肽以抑制抗氧化防御，从而共同触发致命的活性氧（ROS）积累，促进铁死亡。APCM还支持光热疗法（PTT），通过直接热消融提供局部热量来增强纳米催化效果。涂层采用肿瘤来源的膜材料，有助于实现同源靶向和免疫逃逸。转录组分析证实了APCM对铁死亡、代谢和氧化还原相关基因表达的显著调控作用。值得注意的是，APCM纳米酶能够实现双模成像，有助于可视化TNBC的位置并精确指导治疗。总体而言，这种“四合一”仿生纳米酶通过整合多种酶模拟活性和肿瘤细胞膜伪装机制，有效破坏了氧化还原和代谢稳态，增强了铁死亡效果，为TNBC的治疗开辟了新的途径。
引言
三阴性乳腺癌（TNBC）是一种高度侵袭性的亚型，约占所有乳腺癌病例的15-20%。其诊断通常结合了成像技术和病理评估，特别是雌激素受体（ER）、孕激素受体（PR）和人表皮生长因子受体2（HER2）表达的免疫组化（IHC）分析。然而，由于检测限制、样本质量和阈值定义等因素，TNBC的诊断存在变异性。此外，TNBC缺乏ER、PR和HER2表达，使得其对传统内分泌或HER2靶向疗法无反应，导致其长期预后较差。[1],[2],[3] 因此，迫切需要准确的诊断和有效的治疗策略来改善TNBC的预后。
诱导铁死亡为克服TNBC的治疗瓶颈提供了一种有前景的策略。然而，肿瘤细胞常常会通过上调糖酵解和戊糖磷酸途径来维持氧化还原平衡和能量供应，从而产生适应性代谢反应以抵抗铁死亡。鉴于肿瘤的快速增殖和高代谢需求，破坏能量代谢和重塑氧化还原肿瘤微环境是使其对铁死亡敏感的有效策略。[4] 耗尽葡萄糖（肿瘤的主要能量来源，即使在氧气充足条件下也会通过糖酵解大量代谢）可以有效破坏细胞能量稳态。[5] 同时，提高细胞内ROS水平并削弱抗氧化防御系统也是重塑氧化还原微环境的有效方法。[6],[7] 这些策略为增强TNBC中铁死亡效果提供了明确的途径。
近年来，天然酶在破坏肿瘤能量代谢和诱导氧化还原失衡方面显示出显著的治疗潜力。然而，需要注意的是，天然酶在多种物理化学和生理条件下存在结构不稳定性和功能不稳定性，且合成成本高、过程复杂。[8],[9] 仅依赖单一酶的活性不足以重塑氧化还原微环境和能量代谢，因此无法有效诱导铁死亡。因此，合理开发具有多重酶活性的高效级联纳米酶系统至关重要，以实现级联催化、高效诱导铁死亡并解决不同纳米酶之间的潜在相互作用问题。
酶级联反应通过利用前一个酶反应的产物作为后续酶的底物，表现出反应路径简化和高催化效率的特点。[10] 过氧化物酶（POD）样纳米酶在H?O?存在下催化芬顿（Fenton）或类似芬顿的反应，生成高细胞毒性的羟基自由基（·OH），从而引发氧化损伤并诱导铁死亡。[11],[12],[13] 这种纳米催化疗法严重依赖于肿瘤微环境中H?O?的局部可用性和纳米酶的催化效率。然而，内源性H?O?不足以及缺氧肿瘤中催化活性不佳大大限制了治疗效果。为了解决这一问题，采用了模拟葡萄糖氧化酶（GOx）的纳米酶来耗尽肿瘤内的葡萄糖，同时原位生成H?O?并切断能量供应，实现饥饿疗法。[14],[15] 另一方面，过氧化氢酶（CAT）样纳米酶可以将H?O?分解为O?，缓解缺氧，从而增强GOx的催化循环。[16],[17],[18] 通过催化谷胱甘肽（GSH）的氧化——一种关键的铁死亡防御分子——模拟GPx的纳米酶可以耗尽这种抗氧化剂，破坏氧化还原平衡，从而促进铁死亡。总之，开发能够实现多种酶活性有序级联的仿生纳米酶系统，旨在利用肿瘤微环境的独特特性，实现高效和特异的肿瘤治疗策略。
细胞膜包覆的纳米颗粒是一种先进的“仿生伪装”技术，通过赋予合成纳米颗粒天然细胞特性，克服了传统纳米药物的系统递送障碍。这种方法在生物医学领域得到了广泛应用，并成为肿瘤靶向治疗的研究热点。[19],[20],[21],[22] CNPs的核心优势在于它们能够通过保留源细胞的天然膜蛋白来实现精确的生物功能模拟。例如，在三阴性乳腺癌（TNBC）治疗中，肿瘤细胞膜包覆的仿生纳米酶能够模拟肿瘤细胞本身。它们不仅赋予免疫逃逸和延长循环时间，更重要的是，通过膜上保留的粘附分子（如N-钙黏蛋白、半乳糖凝集素-3和EpCAM）实现同型肿瘤靶向。这一策略解决了靶向特异性差的问题，从而提高了治疗效果并减少了脱靶效应。[23],[24] 此外，这项技术的应用正在从简单的靶向递送发展到高级功能，如免疫激活。[25]
为了在TNBC细胞中实现铁死亡的级联催化放大，设计了一种仿生级联催化“四合一”纳米酶AuPd/Cu?O@癌细胞膜（APCM），用于饥饿疗法、光热疗法（PTT）和光热增强纳米催化疗法，从而重塑氧化还原微环境和破坏能量代谢。APCM纳米酶通过以POD样活性为中心的级联催化机制启动铁死亡。具体来说，Cu?O组分在酸性肿瘤微环境中通过类似芬顿的反应将自我供应的H?O?转化为高细胞毒性的·OH，引发氧化应激和脂质过氧化，驱动铁死亡。这种纳米催化疗法依赖于充足的H?O?可用性和高效的催化转化。Au组分表现出GOx样活性，持续耗尽肿瘤内的葡萄糖以破坏能量稳态（饥饿疗法），同时原位生成H?O?以促进POD反应。与此同时，Pd组分表现出CAT样活性，将H?O?分解为O?，从而缓解缺氧并维持GOx的催化循环。此外，APCM在近红外（NIR）照射下的光热特性进一步增强了酶模拟反应的催化动力学，显著提高了ROS的生成效率。同时，在POD过程中产生的Cu2?表现出GPx样活性，有效耗尽细胞内的GSH，削弱了抗氧化防御系统。通过级联催化和同源靶向策略，仿生APCM纳米酶有效破坏了氧化还原和能量平衡，显著增强了铁死亡效果，并改善了TNBC的治疗效果。值得注意的是，APCM纳米酶同时作为CT和MR成像的双模对比剂，为TNBC提供了新的诊断策略，并实现了多模态成像引导的治疗。
APCM的合成与表征
这种仿生靶向“四合一”纳米酶AuPd/Cu?O@细胞膜（APCM）具有级联催化功能，旨在实现饥饿疗法、光热疗法（PTT）和光热增强纳米催化疗法，以重塑氧化还原微环境并破坏能量稳态，从而增强TNBC的铁死亡效果。首先，使用Cu(NO?)?·3H?O作为铜源和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为稳定剂合成Cu?O纳米颗粒，N?H?·H?O作为...
结论
总结来说，我们成功开发了一种肿瘤细胞膜包覆的“四合一”APCM纳米酶，它结合了多酶级联催化和光热增强功能，实现了TNBC的精准诊疗。这一创新纳米平台同时解决了TNBC治疗中的三个关键挑战：其疗效机制包括：（1）通过模拟过氧化氢酶的氧气生成来缓解肿瘤缺氧；（2）实现自给自足的活性氧（ROS）产生...
CRediT作者贡献声明
雷蕾：撰写——原始草案、软件、资源、方法学、研究、正式分析。王泽：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。刘安安：软件、资源、方法学、研究、数据管理。林全：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、概念构思。梁浩：方法学、研究、数据管理。郭辉：撰写——审稿与编辑、监督、方法学...
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。
致谢
作者感谢吉林大学乐群分院中心实验室和第一医院在实验过程中的技术支持。本研究得到了吉林省自然科学基金（编号：SKL202302002）和CPSF博士后奖学金计划（编号：GZB20250444）的支持。
