级联催化微针将肿瘤胆固醇防护层转化为氧化性武器，用于实现自我放大的铁死亡驱动型癌症免疫疗法

《Biomaterials》：Cascade-Catalytic Microneedles Convert the Tumor Cholesterol Shield into an Oxidative Spear for Self-Amplifying Ferroptosis-Driven Cancer Immunotherapy

　　摘要：铁死亡在癌症免疫疗法中展现出巨大潜力，但肿瘤细胞中过高的胆固醇水平为铁死亡的实施带来了严重的结构和功能障碍。本研究开发了一种级联催化纳米复合微针平台（CSMZC MNs），旨在将肿瘤自身的胆固醇屏障转化为促进铁死亡、进而增强癌症免疫疗法的氧化武器。该平台通过将超氧化物歧化酶和胆固醇氧化酶整合到掺锰的沸石咪唑框架纳米颗粒中，并将其嵌入可降解的聚γ-谷氨酸微针中，实现了在肿瘤组织内的精准递送及协同催化激活。当这些纳米颗粒被肿瘤细胞吞噬后，SOD–COD–Mn2+级联反应会通过消耗胆固醇和7-脱氢胆固醇来改变细胞的氧化还原代谢及膜脂稳态，从而打破肿瘤对铁死亡的抵抗，同时增加活性氧的产生和脂质过氧化程度。这种自我强化的氧化作用会引发与铁死亡相关的免疫原性细胞死亡，促使核DNA和线粒体DNA在细胞质中积累，进而激活内源性的cGAS–STING通路。此外，Mn2+还能提高cGAS对细胞质中DNA的敏感性，增强I型干扰素介导的先天免疫信号传导。通过催化放大和免疫重塑，CSMZC MNs能够改变具有免疫抑制作用的肿瘤微环境，激发全身性的T细胞介导的抗肿瘤免疫反应，有效抑制原发瘤及远处转移瘤的发展。这项研究为无需外源性激动剂的免疫代谢策略提供了新的思路，即把原本有助于肿瘤存活的胆固醇代谢转变为可用于肿瘤免疫治疗的弱点。

引言：实体瘤因其侵袭性强、易转移且复发率高，依然是导致癌症相关死亡的主要原因[1] [2] [3] [4]。虽然手术、放疗和化疗等传统治疗方法能够有效缩小原发肿瘤体积，但往往无法彻底清除残留的恶性细胞和隐匿的转移病灶，因此长期疗效有限[5] [6] [7] [8]。癌症免疫疗法作为一种新兴的治疗手段，可通过激活机体免疫系统来消灭原发瘤及已扩散的肿瘤，有望预防疾病复发和转移[9] [10] [11] [12]。尽管前景广阔，但在大多数实体瘤中，免疫检查点阻断、过继细胞疗法以及治疗性癌症疫苗的临床效果仍不尽如人意[13] [14] [15] [16]。其根本原因在于大多数实体瘤本身免疫原性较低，且存在高度免疫抑制的肿瘤微环境，这两者共同阻碍了有效抗肿瘤免疫反应的启动、增强和持续[17] [18] [19] [20] [21]。因此，提升肿瘤的免疫原性是克服实体瘤免疫抵抗的关键[22] [23] [24]。在现有的策略中，免疫原性细胞死亡因其能促进肿瘤相关抗原的释放以及损伤相关分子模式的暴露，从而助力树突状细胞的成熟并激活适应性免疫反应，而显得尤为值得关注[25] [26] [27] [28]。然而，目前诱导免疫原性细胞死亡的方法大多仍依赖于化疗、放疗和光疗，而这些方法都存在一定的局限性，如全身毒性、放射相关不良反应或组织穿透力不足等问题[29] [30] [31] [32]。与此同时，环GMP–AMP合成酶–干扰素基因刺激物通路已成为连接先天免疫感知与适应性免疫启动的核心免疫轴，也被视为重塑免疫抑制性肿瘤微环境的重要靶点[33] [34]。尽管已有几种外源性核苷酸类STING激动剂进入临床评估阶段，但由于其代谢稳定性差、在体内清除速度快、生物利用度低以及时空控制能力有限，其治疗效果往往大打折扣[35] [36] [37] [38]。相比之下，通过诱发内源性DNA损伤并促进细胞质中DNA的积累来在体内激活cGAS–STING通路，可能是一种更符合生理机制且相对安全的实现持久免疫激活的方式[39] [40] [41] [42]。其中，活性氧因其能够造成氧化性DNA损伤并导致细胞质中DNA泄漏，为内源性先天免疫的激活提供了机制基础，因而备受关注[43] [44] [45]。不过，目前常用的活性氧生成方法，如放疗以及光动力/声动力疗法，仍然依赖外部能量输入，且存在穿透深度有限以及潜在安全风险等问题[46] [47] [48] [49] [50]。

铁死亡是一种依赖铁元素、由严重脂质过氧化驱动的程序性细胞死亡形式，近年来因其作为诱导免疫原性细胞死亡和抗肿瘤免疫的强大触发因子而受到广泛关注[51] [52]。然而，在肿瘤细胞中有效增强铁死亡仍然面临两大代谢障碍。首先，肿瘤细胞的氧化还原重编程往往会导致超氧阴离子的积累而非过氧化氢的生成，这就限制了芬顿反应或类似芬顿反应所需的底物供应，进而降低了高毒性氧化物种的产生效率[53] [54] [55] [56]。其次，许多肿瘤细胞具有较高的胆固醇摄取和合成能力，这使得它们的细胞膜富含胆固醇，这类胆固醇不仅起到结构稳定作用，还能作为抗氧化物质阻止脂质过氧化的进一步发展[57] [58] [59]。尤其值得注意的是，7-脱氢胆固醇是胆固醇生物合成途径中的关键中间产物，它不仅能维持膜脂稳态，还具有很强的捕获内源性脂质自由基的能力。通过清除脂质过氧化自由基，保护多不饱和脂肪酸免受自氧化和脂质过氧化的损害，7-脱氢胆固醇能够有效抑制铁死亡的启动和进展[60]。因此，同时破坏胆固醇和7-脱氢胆固醇的代谢，可能会削弱肿瘤细胞自身的膜抗氧化防御能力，使其更容易受到活性氧引发的脂质过氧化和铁死亡损伤。

本研究提出了一种具有自我强化铁死亡诱导功能的级联催化纳米复合微针平台（CSMZC MNs），该平台可通过协同增强免疫原性细胞死亡并持续激活内源性cGAS–STING通路，从而有效改善实体瘤的免疫治疗环境。该平台的构建步骤包括：先将超氧化物歧化酶和胆固醇氧化酶整合到经硫酸软骨素修饰的掺锰沸石咪唑框架纳米颗粒中，形成CSMZC NPs；随后将这些纳米颗粒封装在可降解的聚γ-谷氨酸微针中，以实现精准的肿瘤组织内递送。这种基于微针的递送方式能够以微创方式接触表层肿瘤组织，提高CSMZC NPs在肿瘤局部的滞留时间，同时减少药物在全身范围内的分布，非常适合用于精确调控肿瘤微环境[61]。如图1所示，当这些纳米颗粒被肿瘤细胞吞噬后，其中的SOD–COD–Mn2+级联反应会协同改变细胞内的氧化还原代谢和膜脂稳态。具体而言，SOD会将多余的超氧阴离子转化为过氧化氢和氧气，从而补充氧化剂底物；胆固醇氧化酶则会消耗细胞膜中的胆固醇，同时氧化7-脱氢胆固醇，进而打破肿瘤对铁死亡的抵抗机制；而释放出的Mn2+则可通过类似过氧化酶的反应将过氧化氢转化为高活性的羟基自由基，最终引发严重的脂质过氧化和强烈的铁死亡反应。由此可见，胆固醇氧化酶介导的胆固醇/7-脱氢胆固醇消耗与Mn2+介导的芬顿样催化作用之间存在相互强化的关系：前者改变了膜脂代谢并削弱了细胞的抗氧化防御能力，后者则增强了活性氧带来的氧化攻击，二者共同推动脂质过氧化的加剧和铁死亡的进一步发展。由此产生的氧化性DNA损伤会促使核DNA和线粒体DNA在细胞质中持续积累，这些DNA分子可作为内源性危险信号，激活cGAS–STING通路。同时，Mn2+还能提高cGAS对细胞质中DNA的敏感度，降低STING通路被激活的阈值，进而增强与I型干扰素相关的先天免疫信号传导。通过这种在时空上高度协调的催化与免疫放大效应，CSMZC MNs能够改变具有免疫抑制作用的肿瘤微环境，激发全身性的T细胞介导的抗肿瘤免疫反应，从而有效抑制原发瘤及远处转移瘤的发展。总体而言，这项研究提出了一种级联催化的免疫代谢策略，它将原本有助于肿瘤存活的胆固醇代谢转变为能够增强铁死亡并激活免疫系统的弱点，为实体瘤的无外源性激动剂免疫疗法提供了明确的理论框架。

CSMZC MNs的制备与表征：基于“级联催化增强铁死亡并激活先天免疫”的设计理念，首先制备了经硫酸软骨素修饰的胆固醇氧化酶/超氧化物歧化酶@掺锰沸石咪唑框架纳米颗粒（即CSMZC NPs），随后将其整合到可降解微针平台上，以实现精准的肿瘤组织内递送。这些CSMZC NPs是通过一步水相法合成的，其形态均匀且单分散性较高，这一特性可通过扫描电子显微镜观察到……

结论：总之，我们开发的一种级联催化纳米复合微针平台（CSMZC MNs），通过结合铁死亡的增强作用与持续的内源性cGAS–STING通路激活，成功克服了实体瘤免疫治疗中的两大主要障碍——低免疫原性及免疫抑制性肿瘤微环境。该平台通过可降解微针将负载有SOD和胆固醇氧化酶、表面覆有硫酸软骨素的掺锰沸石咪唑框架纳米颗粒递送到肿瘤组织内部，从而在肿瘤局部形成SOD–COD–Mn2+反应体系……

化学品与材料：2-甲基咪唑、硫酸软骨素、聚乙烯醇以及四甲基联苯胺二盐酸盐水合物均购自中国上海的Adamas-beta公司；醋酸锌二水合物和罗丹明B则购自中国上海的Sigma-Aldrich公司；聚γ-谷氨酸则购自中国广州的广州浩祥精细化工有限公司；胆固醇氧化酶和超氧化物歧化酶则购自上海……

CRediT作者贡献说明：张宇：论文撰写——初稿、实验研究、概念设计；陈水玲：方法学、实验研究；董玉书：方法学、实验研究；刘霞：论文撰写——审阅与编辑、资源准备、资金获取；林远：方法学、实验研究；傅静：方法学、实验研究；李明：方法学、实验研究；杨荣杰：论文撰写——初稿、可视化分析、验证、方法学、实验研究、定量分析、概念设计；侯建文：论文撰写——审阅与编辑……

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

数据可用性：数据将在收到请求后提供。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52495011、52573349、U22A20161、21903065）、四川省科技计划项目（项目编号：2026NSFSCZY0101、2025ZNSFSC1416、2024NSFTD0002）、西南交通大学新交叉学科培育基金（项目编号：2682024KJ012）、天府菁城实验室资助项目（项目编号：2025ZH060）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：2682025ZTPY050）的支持。作者们还要感谢西南交通大学医学院生物医学工程研究所的分析检测团队……杨荣杰|张宇|董玉书|陈水玲|李明|傅静|林远|刘霞|侯建文|周少兵，地址：中国成都610031。