基于 Mn-La 的仿生纳米反应器驱动的靶向诱导铁死亡与细胞凋亡，用于增强多发性骨髓瘤中卡非佐米的治疗效果

《Journal of Rare Earths》：Mn-La-based biomimetic nanoreactor-driven targeted induction of ferroptosis and apoptosis for carfilzomib therapy potentiation in multiple myeloma

　　

摘要

这些关键的局限性，如耐药性、快速全身清除和严重副作用，损害了目前使用的蛋白酶体抑制剂的治疗效果，而这些蛋白酶体抑制剂是多发性骨髓瘤（MM）不可或缺的临床治疗手段。因此，迫切需要开发一种能够将新型治疗方法相结合、预防耐药、引发非经典肿瘤细胞死亡并减轻药物毒性和不良反应的治疗药物。在我们的研究中，成功构建了一种创新的仿生肿瘤靶向纳米药物（MnLa-CFZ@MMM，MLCM），可精确递送卡非佐米（CFZ），同时诱导锰-镧氧化物触发的铁死亡，从而放大CFZ诱导的凋亡的抗肿瘤效果。体外验证确认了MLCM通过经典途径诱导铁死亡：谷胱甘肽耗竭、谷胱甘肽过氧化物酶4抑制以及致命的脂质过氧化积累。此外，体内实验表明，MLCM具有良好的生物安全性，不仅实现了72小时滞留的肿瘤特异性靶向，还能更有效地抑制肿瘤生长，抑制率高达70.4%。值得注意的是，MLCM表现出出色的磁共振成像能力。总之，结合良好的生物安全性和多重治疗效果，我们的MLCM提供了一种针对多发性骨髓瘤的可行的靶向肿瘤诊疗方法。

引言

在多发性骨髓瘤（MM）的临床管理中，蛋白酶体抑制剂（PIs，如硼替佐米[BTZ]和卡非佐米[CFZ]）是多药联合方案的重要组成部分，它们阻断MM细胞中蛋白酶体的功能，诱导内质网应激和细胞周期停滞，从而触发凋亡。然而，这些药物在体内的非特异性分布导致因与正常细胞的脱靶相互作用而产生一系列不良反应，包括骨髓抑制、胃肠道反应和神经精神毒性。更令人担忧的是，部分患者在治疗后会出现耐药和疾病复发。研究表明，抗氧化防御系统的增强在复杂的耐药性发展中起着关键作用。耐药性MM细胞通过多种途径显著上调抗氧化酶（如超氧化物歧化酶和血红素加氧酶-1），并提高细胞内谷胱甘肽（GSH）含量，从而将细胞内活性氧（ROS）维持在促进肿瘤存活的水平，进而对抗PIs的促凋亡作用。相应地，研究报告称MM中GSH水平升高通过增强细胞抗氧化能力、加速PIs的代谢和消除以及抑制凋亡信号激活来促进抗凋亡机制。鉴于这些发现，消耗MM细胞内GSH可能阻止疾病复发和耐药。总之，上述因素限制了PIs的临床应用和治疗效果。因此，基于GSH耗竭开发新型、高效、低毒的治疗策略，对于提高MM治疗效果和改善MM患者生活质量具有重要意义。

近年来，用于肿瘤诊断和治疗的纳米材料的快速进展为MM管理开辟了新的前景。这些纳米材料不仅可作为药物载体，还能响应肿瘤微环境以实现精确药物释放并引发肿瘤细胞死亡。然而，合成纳米颗粒经常被网状内皮系统清除，伴随较差的肿瘤靶向性。以MM细胞膜进行仿生包裹，这些细胞膜保留了黏附分子、同源识别蛋白、骨髓归巢（BMH）蛋白和免疫逃逸蛋白，从而赋予免疫逃逸、延长循环时间和精确靶向MM病灶的能力。然而，纯肿瘤细胞膜仅提供伪装和靶向功能，缺乏内在的治疗或成像能力，需要高性能的无机纳米核心来实现有效的肿瘤诊疗。金属氧化物纳米材料代表理想的 functional 核心。例如，工程化的二氧化锰和氧化镧纳米材料具有优异的生物相容性，不仅可作为纳米载体响应弱酸性肿瘤微环境并将药物精确递送至肿瘤部位，还通过瘤内氧化还原反应耗竭细胞内GSH并产生大量ROS，从而触发肿瘤细胞凋亡。特别是，除了出色的催化性能外，二氧化锰还可作为磁共振成像（MRI）造影剂，增强肿瘤组织成像对比度，用于MM的早期诊断。然而，单一二氧化锰存在结构稳定性差和活性位点易失活的问题，而氧化镧具有优越的结构稳定性。研究表明，通过掺杂镧形成的镧-锰复合氧化物结合了两种单一氧化物的优点并表现出优异的整体性能。镧-锰复合氧化物提供改善的结构和热稳定性、更大的比表面积以及活性组分更均匀的分散和更多暴露的活性位点，并增强氧化还原性能以显著改善低温催化活性。引入镧生成La-O-Mn键，削弱Mn-O键能并促进氧物种解吸。此外，还可实现更高的氧空位浓度和更好的氧迁移率，其中晶格氧参与反应并可循环补充。Mn和La组分之间的协同作用还使复合催化剂实现比每种单组分催化剂更高的活性。因此，这些有利特性使二氧化锰和氧化镧纳米颗粒成为MM诊疗的有前景的候选材料。

显著的是，最近报道的铁死亡是一种不同于凋亡和坏死的程序性细胞死亡形式，为克服耐药和治疗MM提供了新的思路和方法。研究揭示铁死亡的主要触发因素是脂质过氧化（LPO）的过度积累，这源于ROS氧化细胞内脂质产生LPO，以及负责消除LPO的过程受到抑制。重要的是，细胞内LPO的消除主要依赖于谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的作用，这是唯一能将LPO还原回脂质的细胞内酶，并以GSH为底物。因此，通过细胞GSH耗竭和GPX4抑制诱导铁死亡是一种引人注目的方法。与传统铁死亡诱导剂如艾拉司汀及其衍生物、RSL3和青蒿素相比，既能作为药物载体又能诱导铁死亡的纳米医学在肿瘤治疗应用中可能具有更大优势。据报道，可作为纳米载体的生物相容性金属纳米材料，包括铁基和锰基纳米材料，可在肿瘤中发生类Fenton反应产生ROS并消耗内源性GSH。此外，也证实La2O3纳米颗粒可通过刺激ROS产生、降低细胞内GSH水平和抑制GSH-Px表达来增强细胞内氧化应激从而杀死细胞。因此，这些金属纳米颗粒的活性为其在诱导铁死亡方面的应用奠定了基础。

受上述研究的启发，我们设计了一种新型纳米粒子系统MnLa-CFZ@MMM（MLCM），通过将负载卡非佐米的MnLa（MnLa-CFZ，MLC）与分离的MM细胞膜（MMM）进行包裹，以实现精确靶向递送和增强抗MM治疗效果（方案1）。在我们的研究中，携带膜蛋白（如C-X-C基序趋化因子受体4（CXCR4）和CD147）的MMM在BMH、免疫逃逸和肿瘤细胞同源靶向中起关键作用，被包裹在MLC上。这些膜可赋予MLCM肿瘤靶向和免疫逃逸能力，使其在体内系统循环过程中逃逸免疫细胞的识别和清除，从而实现有效和定向的肿瘤靶向。到达肿瘤部位后，MLCM被同源MM细胞识别和内化。随后，MnLa（ML）响应弱酸性肿瘤微环境并精确释放负载的CFZ——一种蛋白酶体抑制剂，它可使接受BTZ治疗或对BTZ耐药的患者实现持续缓解和改善的生存结果。然后，释放的CFZ开始发挥作用并诱导凋亡。此外，在酸性环境下，ML消耗细胞内过量GSH，同时产生Mn2+、La3+和大量ROS，如羟基自由基（·OH）。一方面，GSH耗竭通过抑制GPX4的表达和活性损害细胞内GSH依赖性抗氧化系统，导致大量LPO积累。另一方面，细胞内ROS升高进一步促进LPO形成。最终，积累的LPO触发铁死亡，为MM提供一种替代的细胞死亡途径，协同增强CFZ诱导的凋亡并强化肿瘤生长抑制。此外，到达肿瘤部位后生成的二价Mn离子可放大T1加权MRI对比度，从而实现体内肿瘤精确映射和MM早期诊断。因此，作为一种诱导铁死亡和凋亡的新策略（方案1），我们的MLCM在MM诊断、治疗和耐药预防方面具有巨大潜力。

材料

CFZ（99%）购自上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）。细胞计数试剂盒-8（CCK-8）、钙黄绿素乙酯/碘化丙啶（AM/PI）染色试剂盒和5,5'-二硫代双-(2-硝基苯甲酸)（DTNB）购自上海酶研生物科技有限公司。 Hoechst 33342染色、GSH和氧化型谷胱甘肽测定试剂盒以及ROS检测试剂盒（2',7'-二氯二氢荧光素二乙酸酯，DCFH-DA）购自碧云天生物科技有限公司。

ML、MMM、MLC、MLCM的表征

为验证ML、MMM、MLC和MLCM的成功制备，进行了多种表征测试。有趣的是，EDS成像和分析（图1(a)和图S1）显示ML呈纺锤形形态，基本由O、La和Mn元素组成，La和Mn在ML中均匀分散，O与La和Mn重叠，表明La和Mn以氧化物形式存在于ML中。随后，使用XPS分析元素组成和化学态。

结论

总之，我们成功制备了一种能够靶向肿瘤并诱导肿瘤细胞铁死亡和凋亡的诊疗MLCM。在MMM上膜蛋白的驱动下，MMM包裹的MLCM可逃逸免疫细胞的吞噬，实现对肿瘤部位的精确靶向。在细胞内化后，ML中的MnO2和La2O3与内源性GSH和H2O2发生氧化还原反应，耗竭GSH并产生ROS，同时触发CFZ的刺激响应性释放。关键的是，ML……

利益声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的相互竞争的财务利益或个人关系。

基金项目

本项目得到国家自然科学基金（U22A2090，82170180，82470187，82000218）和福建省自然科学基金（2023J06054，2024D025）的支持。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的相互竞争的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢南昌大学第一附属医院血液科提供MM细胞供体，厦门大学医学院癌症研究中心提供LO2细胞。此外，作者感谢厦门大学生物医学科学核心设施的支持。

李梦齐|姚靖威|林芷娟|赵杰|黄文婷|王奥|马元|马梦利|罗方红|王培远|许冰

厦门大学医学院血液学研究所及厦门大学附属第一医院血液科，中国厦门361003