综述：金属纳米颗粒介导的癌细胞程序性死亡：机制与治疗启示

《Health Nanotechnology》：Metallic- nanoparticles mediated programmed cell death in cancer cells: mechanisms and therapeutic implications

本文系统回顾了银、钛、锌等金属纳米颗粒（Metallic Nanoparticles，MNPs）通过诱导细胞凋亡（Apoptosis）、细胞焦亡（Pyroptosis）、铁死亡（Ferroptosis）、铜死亡（Cuproptosis）和自噬（Autophagy）等多种程序性细胞死亡（Programmed Cell Death， PCD）途径来杀伤癌细胞的机制。文章重点阐述了纳米颗粒独特的理化性质（如尺寸、高比表面积）如何使其能有效靶向肿瘤微环境（Tumor Microenvironment， TME），并通过产生活性氧（Reactive Oxygen Species， ROS）、诱导线粒体（Mitochondria， mT）损伤、内质网（Endoplasmic Reticulum， ER）应激等途径激活不同的死亡信号通路。尽管这些机制为纳米医学在癌症治疗中提供了广阔前景，但文章也指出了其在临床转化中面临的挑战，如潜在的细胞毒性和对健康细胞的影响。

　　

癌症，这一长久威胁人类健康的疾病，其治疗策略始终在不断演进。随着纳米技术的兴起，纳米医学为癌症的诊断与治疗带来了革命性的新范式。金属纳米颗粒（MNPs），凭借其独特的亚微米尺寸、高表面积体积比以及精准的靶向能力，能够穿越复杂的生理屏障，如肿瘤微环境（TME）、单核吞噬细胞系统（RES）和血脑屏障（BBB），通过多种途径进入癌细胞并诱导其死亡。这为开发高效、低毒的抗癌疗法开辟了新道路。

程序性细胞死亡——纳米颗粒毒性的共同范式

细胞凋亡，这一源于希腊语意为“树叶凋落”的程序性死亡过程，是细胞应对压力（如DNA损伤、氧化应激）时的经典反应。纳米颗粒可通过内在（线粒体）和外在（死亡受体）两条主要途径诱导凋亡。内在途径通常涉及线粒体损伤、膜电位丧失和细胞色素c（Cytochrome c， Cyt-c）的释放，进而激活凋亡酶caspase-9和caspase-3。而外在途径则通过激活细胞膜上的死亡受体（如Fas、TNF受体），形成死亡诱导信号复合物（DISC），最终激活caspase-8，启动凋亡程序。

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  AgNPs诱导的内在凋亡
  银纳米颗粒（AgNPs）是研究最广泛的纳米材料之一。在乳腺癌细胞SK-BR-3中，AgNPs通过增加促凋亡蛋白Bak1与抗凋亡蛋白Bcl-xL的比例以及上调caspase-3表达，激活了线粒体依赖的凋亡通路。在HT-29结肠癌细胞中，AgNPs上调了包括Cyt-c、p53、Bax、CASP3、CASP8、CASP9和CASP12在内的多个凋亡相关基因。此外，AgNPs还能延长内质网-线粒体接触位点，干扰肌醇三磷酸受体功能，导致线粒体内钙离子（Ca²⁺）超载，从而触发凋亡。
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  TiO₂NPs诱导的内在凋亡
  二氧化钛纳米颗粒（TiO₂NPs）同样能诱导细胞凋亡。在人支气管上皮细胞BEAS-2B中，TiO₂NPs通过增加ROS和氧化应激，激活caspase-3，并改变Bax、Cyt-c、p53和Bcl2等关键蛋白的表达水平，激活了内在凋亡途径。在肝细胞癌HepG2细胞中，TiO₂NPs通过阻断表皮生长因子受体（EGFR）的自身磷酸化，使其下游效应器Akt和细胞外信号调节激酶失活，从而诱导细胞死亡。在人类肝癌细胞中，TiO₂NPs还能增强Toll样受体-4（TLR-4）并降低TLR-3的表达，影响DNA双链断裂和与凋亡相关的基因。
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  ZnO NPs诱导的内在凋亡
  氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）在多种癌细胞中显示出抑制增殖和诱导凋亡的能力。它们能增强Cyt-c的释放，上调凋亡蛋白酶激活因子-1（Apaf-1）、caspase-9和caspase-3的表达。在人类多发性骨髓瘤细胞中，ZnO NPs通过ROS和Cyt-c/Apaf-1/Caspase-9/caspase-3信号通路诱导细胞死亡。此外，在人牙龈鳞状细胞癌细胞中，ZnO NPs增加了ROS水平，降低了线粒体膜电位，并利用caspase级联反应诱导死亡。有趣的是，ZnO NPs还被发现能激活内质网应激（ERS）并促进自噬，从而抑制卵巢癌细胞的侵袭和迁移。

线粒体与内质网在凋亡中的交叉对话

细胞器间的信号沟通至关重要。纳米颗粒产生的ROS会诱导线粒体形态变化、膜电位改变和膜通透性转换孔（MPTP）开放，最终导致Cyt-c释放。同时，纳米颗粒也能引起内质网应激。例如，AgNPs就增加了内质网-线粒体接触位点的长度，促进了钙离子从内质网向线粒体的转移，导致钙超载并触发SH-SY5Y细胞凋亡。此外，外在凋亡途径也可以通过caspase-8切割促凋亡蛋白BID来激活线粒体途径，形成一个信号放大环路。这种线粒体与内质网之间的“交叉对话”，通过协调脂质交换、ROS信号传导和Bcl2蛋白相互作用，共同决定着细胞的命运。

细胞焦亡——纳米颗粒毒性的新范式

细胞焦亡是一种高度炎症性的程序性细胞死亡形式，常在细胞内病原体感染时发生，其特点是细胞肿胀、膜破裂并释放大量炎性细胞因子。这个过程主要由炎症小体（Inflammasome）的组装和激活驱动，特别是NLRP3炎症小体。当被激活时，炎症小体会切割并活化caspase-1，进而切割Gasdermin D（GSDMD）蛋白，后者在细胞膜上形成孔洞，导致细胞裂解和炎性因子如白细胞介素-1β（IL-1β）和IL-18的释放。

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  AgNPs诱导的细胞焦亡
  AgNPs能以尺寸依赖的方式激活HepG2细胞中的NLRP3炎症小体。在人类THP-1单核细胞中，AgNPs通过降解内质网应激传感器ATF-6，导致NLRP3炎症小体活化，表现为caspase-1活性增加以及IL-1β和ASC焦亡小体的形成。有趣的是，PINK1-Parkin介导的线粒体自噬被发现可以抑制AgNPs诱导的NLRP3炎症小体激活和焦亡。
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  TiO₂NPs诱导的细胞焦亡
  TiO₂NPs可通过氧化应激、线粒体功能障碍和激活NLRP3炎症小体诱导细胞焦亡。在HaCaT细胞中，纳米钛通过调节NLRP3/Caspase-1/Gasdermin D通路诱导了焦亡。超声激发的TiO₂NPs也被证明能通过ROS生成促进焦亡，这为声动力免疫疗法提供了新思路。
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  ZnO NPs诱导的细胞焦亡
  ZnO NPs同样能通过ROS释放、线粒体损伤和NLRP3炎症小体激活诱发焦亡。在HepG2细胞和大鼠肝脏中，研究证实经典的caspase-1/Gasdermin D通路参与了ZnO NPs诱导的焦亡。值得注意的是，由转录因子EB（TFEB）调控的自噬和溶酶体生物发生可以缓解ZnO NPs在肝细胞中引发的焦亡损伤。

铁死亡——纳米颗粒毒性的最新范式

铁死亡是一种铁依赖性、非凋亡性的细胞死亡形式，其特征是脂质过氧化物（LPO）的积累，导致细胞膜损伤。形态上表现为线粒体皱缩、嵴减少或消失。这一过程受到铁代谢、脂质过氧化和抗氧化防御系统（如谷胱甘肽过氧化物酶4， GPx4）的严格调控。

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  AgNPs诱导的铁死亡
  研究表明，AgNPs可引起小鼠认知障碍和HT-22细胞毒性，这些效应伴随着铁超载、谷胱甘肽（GSH）耗竭以及GPx和SOD活性丧失，从而启动了铁死亡级联反应。在斑马鱼中，AgNPs也通过铁死亡诱导了肝脏炎症。磁铁矿纳米颗粒因能引发铁死亡，被视为癌症治疗中克服放化疗耐药性的有前途的平台。
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  TiO₂NPs与其他纳米颗粒诱导的铁死亡
  TiO₂NPs在声动力疗法中可增强铁死亡，表现为脂质过氧化增加和GSH减少，并上调多个促铁死亡基因。食品级二氧化钛（E 171）也能通过NCOA4介导的铁蛋白自噬在小鼠肝脏中诱发铁死亡。此外，钴纳米颗粒和表面功能化的超小二氧化硅纳米颗粒也显示出诱导癌细胞铁死亡的潜力，凸显了其治疗应用前景。

自噬——纳米颗粒毒性中的最终交叉对话

自噬是细胞降解自身受损组分以维持稳态的“自我吞噬”过程。它在细胞命运中扮演着“双刃剑”的角色，既可以作为一种保护机制帮助细胞在压力下存活，也可以过度激活导致细胞死亡（自噬性细胞死亡）。纳米颗粒主要诱导巨自噬，其特征是细胞内自噬体数量增加。

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  纳米颗粒诱导自噬的机制
  多种纳米颗粒如单壁/多壁碳纳米管、氧化石墨烯、金纳米颗粒和氧化铁纳米颗粒都能诱导自噬体积累并阻断自噬流。金属纳米颗粒（如Ag、Au、Cu）通常通过ROS生成的共同机制触发自噬反应。然而，不同纳米颗粒也可能有特定机制。例如，金纳米颗粒可能通过扰动细胞骨架、阻断自噬体-溶酶体融合及溶酶体碱化来诱导自噬。铁核金壳纳米颗粒则通过影响线粒体膜电位、产生ROS并涉及mTOR信号通路来诱导自噬。富勒烯纳米晶体也通过ROS生成、损害线粒体和内质网来诱导自噬。
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  自噬在癌症治疗中的双重角色
  自噬在癌症中的作用是复杂的。纳米颗粒可以通过调控自噬的药物或抑制自噬的抑制剂，将癌细胞导向自噬。这可能导致促生存的保护性自噬，或导致细胞死亡的毒性自噬。例如，AgNPs作为抗癌剂的治疗潜力，正是基于其通过氧化应激介导的自噬和/或凋亡来诱导细胞死亡的能力。同样，镀金的硅纳米颗粒在A549肺癌细胞中诱导的氧化应激和线粒体功能障碍，导致了线粒体介导的自噬，从而抑制了癌细胞生长。金纳米颗粒的大小不同，其效应也不同：较大颗粒（>10 nm）可能启动NF-κB信号通路，而超小颗粒（<10 nm）则可能选择性激活NLRP3炎症小体。

铜死亡——一种新型的程序性细胞死亡机制

铜死亡是近年来新定义的一种铜依赖性细胞死亡方式，其核心在于线粒体功能障碍。过量的铜离子会直接与三羧酸循环（TCA）通路中的脂酰化蛋白结合，导致蛋白质异常聚集、铁硫簇蛋白丢失，最终引发线粒体蛋白毒性应激和细胞死亡。

纳米技术为利用铜死亡进行癌症治疗提供了创新策略。研究者们开发了能够响应肿瘤微环境刺激（如pH、光、超声波）而释放铜离子的纳米平台，从而实现铜在肿瘤部位的特异性积累和释放，有效诱导癌细胞发生铜死亡。例如，铜复合物纳米颗粒能有效将铜递送至癌细胞，诱导铜死亡，并激发强大的抗肿瘤免疫反应。更有趣的是，将铜死亡与其他死亡方式（如焦亡）联用，能够产生协同增效的免疫原性细胞死亡效果，显著增强对肝癌等肿瘤的免疫治疗效果。锌-铜双金属纳米平台不仅能引发铜死亡，还能激活cGAS-STING通路，从而增强三阴性乳腺癌的免疫治疗效果。而掺杂铜的TiO₂NPs则能短暂超活化树突状细胞，优化了小鼠模型中的免疫治疗效果。

结论与展望

金属纳米颗粒通过诱导多种程序性细胞死亡途径，为癌症治疗提供了多维度、高特异性的强大武器。从经典的凋亡和自噬，到近年来备受关注的焦亡、铁死亡和铜死亡，纳米颗粒巧妙地利用了癌细胞与正常细胞在代谢、氧化还原状态和信号通路上的差异，实现了选择性杀伤。特别是不同死亡通路之间存在的“交叉对话”，为设计联合疗法、克服耐药性提供了新的思路。

然而，将实验室的 promising 成果转化为临床的常规疗法，前路依然充满挑战。纳米颗粒对健康细胞的潜在毒性、复杂的体内代谢行为、大规模生产的质量控制以及个体差异带来的疗效不确定性，都是亟待解决的科学与工程难题。未来的研究需要更加深入地阐明纳米颗粒与生物系统相互作用的精细机制，优化其靶向性和生物安全性，并积极探索不同死亡通路之间的协同效应。随着这些问题的逐步攻克，基于纳米颗粒的程序性细胞死亡调控策略，有望为癌症患者带来更高效、更精准的新一代治疗方案。