用于结直肠癌的“双锁”激活纳米系统：通过缺陷工程驱动的近红外-II光热疗法（PTT）增强铁死亡反应，从而触发抗肿瘤免疫

《Biomaterials》："Dual-Lock" Activated Nanosystem for Colorectal Cancer: Defect Engineering-Driven NIR-II PTT-Enhanced Ferroptosis to Trigger Antitumor Immunity

本研究开发了一种双响应缺陷工程纳米系统AgFeO2-PVP（Vo-AFP），通过H2S和酸性条件激活，释放Fe2+诱导铁死亡，并利用缺陷结构增强近红外二区光热转换效率及局域表面等离子体共振，协同PD-L1免疫检查点阻断，有效逆转肿瘤免疫抑制微环境并抑制原发及转移性肿瘤生长。

　　

钱旺|钱旺|杰东|周宇欣|王凌霄|陈春霞|姚莉|曲博涛|张瑞萍

山西医科大学第三医院，山西白求恩医院，山西省医学科学院，同济山西医院，中国太原030032

摘要

结直肠癌（CRC）的传统治疗方法往往受到特异性限制，而低氧、酸性和免疫抑制环境通常会促进对免疫治疗的抵抗。本文设计了一种具有氧空位的双响应纳米系统（AgFeO₂-PVP，简称Vo-AFP），用于对抗CRC。该系统在肿瘤微环境（TME）中通过H₂S和酸性条件被选择性激活，触发Fe²⁺的释放，诱导铁死亡（ferroptosis），并形成由铁和氧空位组成的双空位结构。这些缺陷引入了亚带隙（中间能级），使得系统能够在1064纳米激光照射下实现两步单光子吸收，并促进非辐射电子-空穴复合，从而将光热转换效率从17.03%提升至34.15%。密度泛函理论（DFT）计算证实，双空位配置能够引起电荷重新分布，增强近红外II区（NIR-II）的局域表面等离子体共振（LSPR）。缺陷辅助的亚带隙吸收与LSPR增强的协同作用，使得该系统能够有效消融深层肿瘤。体内实验结果表明，局部加热进一步加速了Fe²⁺的释放，并抑制了GPX4介导的抗氧化途径，增强了铁死亡效应。这种光热增强的铁死亡作用显著提高了肿瘤对αPD-L1检查点阻断的敏感性，重塑了免疫抑制微环境，激活了全身抗肿瘤免疫，并抑制了肿瘤和肺部病变。因此，Vo-AFP提供了一个集诊断和治疗于一体的平台，为CRC免疫治疗中的可激活缺陷工程纳米系统开辟了新的途径。

引言

硫化氢（H₂S）显著促进了癌症的增殖和转移，尤其是在结直肠癌（CRC）中，其浓度在肿瘤微环境（TME）中可达到0.3–3.4 mmol/L [1], [2]——远高于其他癌症或正常组织。在CRC中，H₂S通过促进病理性血管生成和驱动恶性进展起作用，这主要是由于半胱硫氨酸-β-合成酶（CBS）的过度表达 [3], [4]。目前CRC的临床管理仍面临治疗抵抗和免疫抑制TME等问题 [5], [6], [7]。传统的化疗和放疗缺乏肿瘤特异性，常常会损伤健康组织并引起全身毒性，导致治疗效果不佳 [8]。尽管近年来免疫治疗取得了进展，但肿瘤微环境的低氧、酸性和免疫抑制特性常常导致治疗抵抗，从而限制了临床响应率 [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]。为了提高靶向性和治疗特异性，已经开发了能够响应肿瘤特异性信号（如谷胱甘肽、pH值或酶活性）的可激活诊断和治疗探针，以实现精确干预 [16], [17], [18]。然而，大多数现有探针依赖于单一刺激，导致肿瘤识别不足和潜在的脱靶效应 [19], [20]。鉴于CRC-TME中H₂S和H⁺的共存，我们提出了一种能够同时针对这两种生物标志物的双锁可激活纳米系统，可以有效逆转免疫抑制并增强抗肿瘤免疫，为改善CRC治疗提供了有前景的策略。

缺陷工程在材料科学中受到了广泛关注，因为它可以通过控制引入空位、掺杂剂或晶界来调节材料性质 [21], [22], [23]。这些结构缺陷在半导体能带结构中引入了亚带隙（中间能级），在宽带隙材料中，这些能级作为“踏脚石”，使电子在近红外（NIR）照射下能够进行连续跃迁，从而增强光子吸收。缺陷诱导的亚带隙作为非辐射复合中心，促进电子-空穴的非辐射复合，提高光热转换效率 [24], [25]。缺陷还改变了局部电荷分布，增强了局域等离子体吸收 [26]。在第二近红外窗口（NIR-II，1000–1700 nm）的光吸收使得组织穿透深度超过1厘米，远超第一近红外窗口（NIR-I） [27]，为宽带隙半导体材料在光声成像引导下的深层肿瘤光热治疗提供了新的机会 [28], [29], [30], [31], [32], [33]。然而，单光热疗法往往无法完全消除肿瘤。证据表明，局部热疗可以与其他治疗方式协同作用 [34], [35], [36]。通过合理的材料设计，光热疗法可以与铁死亡结合，利用热诱导的活性氧（ROS）积累、加速脂质过氧化和免疫原性细胞死亡，从而引发强大的持续抗肿瘤免疫反应，实现全面的肿瘤清除 [37], [38], [39], [40]。因此，基于缺陷工程的多模式协同治疗系统已成为推进癌症治疗的有前景策略。

基于上述背景，我们开发了一种双响应缺陷工程纳米系统AgFeO₂-PVP（V_O-AFP），它通过NIR-II光热效应协同增强铁死亡，并实现有效的抗肿瘤免疫治疗。V_O-AFP在CRC-TME中在高H₂S和酸性pH条件下被特异性激活，导致Fe²⁺释放并原位形成铁空位，形成双空位结构（V_O/Fe-AFP）。一方面，释放的Fe²⁺引发芬顿反应，生成高细胞毒性的·OH；另一方面，生成的Fe³⁺消耗谷胱甘肽并催化H₂O₂分解为O₂，缓解缺氧。这一级联反应增加了ROS积累和脂质过氧化，有效诱导铁死亡。另一方面，双空位结构在能带结构中引入了亚带隙，使得系统能够在1064纳米激光激发下实现逐步的缺陷辅助亚带隙吸收。这些能级还作为非辐射复合中心，促进电子-空穴复合，增强光热转换。此外，缺陷介导的电荷重新分布进一步增强了NIR-II区域的局域表面等离子体共振，DFT计算也证实了这一点。局部热疗加速了Fe²⁺的释放，并抑制了GPX4抗氧化途径，增强了铁死亡效应。此外，H₂S的消耗还规范了肿瘤血管，抑制了恶性进展 [41], [42], [43], [44]。光热增强的铁死亡与H₂S的消耗协同作用，引发了强烈的免疫原性细胞死亡，促进了树突状细胞的成熟、促炎细胞因子的分泌、细胞毒性T细胞的激活和M1型巨噬细胞的极化 [45]（图1），共同逆转了免疫抑制微环境并抑制了原发性和转移性肿瘤的生长。当与αPD-L1结合使用时，V_O-AFP在原发性和转移性肿瘤模型中表现出更强的抗肿瘤效果，提供了一种使用缺陷工程纳米材料进行组合免疫治疗的新“双锁”激活策略。

V_O-AFP纳米颗粒的制备与表征

AgFeO₂纳米颗粒（AFO NPs）是通过水热法合成的 [46]。所得纳米颗粒随后经过超声处理，并用聚乙烯吡咯烷酮（PVP，Mw = 40 kDa）进行表面修饰，制备出最终的含氧空位产品，即AgFeO₂-PVP纳米颗粒（V_O-AFP NPs）（图1i）。透射电子显微镜（TEM）成像显示，V_O-AFP NPs的粒径范围为60至100纳米（图1a）。这一粒径范围符合增强效果的要求。

结论

总结来说，本研究成功开发了一种基于双锁缺陷工程策略的纳米系统（称为V_O-AFP）。该系统在CRC-TME中通过过表达的H₂S和H⁺被特异性激活，介导NIR-II光热增强型铁死亡，从而共同增强了抗肿瘤免疫反应。通过缺陷工程，V_O-AFP在与H₂S和H⁺相互作用时在原位生成铁空位，这些新形成的铁空位随后与材料自身的氧空位结合

实验部分

关于V_O-AFP的实验程序、材料制备和表征，以及在体外和体内条件下的生物学评估，详细记录在支持信息中。

作者贡献声明

陈春霞：可视化分析、实验研究。王凌霄：可视化分析、实验研究。姚莉：写作、审稿与编辑、资金获取、概念构思。张瑞萍：写作、审稿与编辑、资金获取、概念构思。曲博涛：写作、审稿与编辑、资金获取、概念构思。周宇欣：可视化分析、方法学研究、数据管理。杰东：实验指导、实验研究、概念构思。钱旺：结果验证、实验研究、数据管理。钱旺：写作——

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明在本研究中不存在利益冲突。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢中国科学院煤炭化学研究所（ICCCAS）的沈帅教授对本研究的宝贵指导。本研究得到了国家重点研发计划（2023YFC3402800）、国家自然科学基金（编号：U24A6012、82120108016、62205190）、山西省纳米成像与药物装载制备重点实验室（编号：202104010910010）以及山西省自然科学基金（编号：202403021211183）的支持。作者还