综述：金属离子增强的肿瘤光疗：机制、纳米材料设计与协同策略

《Materials Today Bio》：Metal Ion-Amplified Phototherapy for Tumors: Mechanisms, Nanomaterial Design, and Synergistic Strategies

本文系统综述了金属离子依赖性细胞死亡（MIDCD），包括铁死亡（Ferroptosis）、铜死亡（Cuproptosis）与光动力/光热疗法（PDT/PTT）协同抗癌的策略与机制。文章阐释了铁、铜、钙、锌、镁、锰等金属离子在增强疗效中的作用，总结了可实现离子时空控制释放的金属基纳米材料设计，并探讨了临床转化挑战与未来方向，为精准癌症治疗提供了新思路。

　　

癌症因其高发病率和高死亡率，始终是威胁人类健康的重大疾病。传统的手术、放疗和化疗等方法，常因副作用严重或疗效不足而受限。光疗，包括光动力疗法（PDT）和光热疗法（PTT），因其微创、时空可控和高选择性的特点，已成为前景广阔的替代疗法。然而，单一光疗模式存在固有局限，例如PDT高度依赖氧气，在缺氧的实体瘤中心效果不佳；PTT则可能因热扩散损伤周围正常组织，且低温PTT可能大幅降低肿瘤杀伤率。为了克服这些瓶颈，联合治疗策略应运而生。近年来，金属离子依赖性细胞死亡（MIDCD）作为一种新兴的非凋亡性程序性细胞死亡方式，与光疗的协同整合展现出巨大潜力，有望部分缓解单一疗法的限制，或在挑战性的肿瘤微环境（TME）条件下提供替代治疗途径。

光疗的机制

光疗利用特定波长的光照射肿瘤部位的光敏剂。根据诱导癌细胞死亡的机制，可分为PDT和PTT。PDT过程始于注射能选择性在肿瘤中积累的光敏剂（PS）。在适当波长光照下，积累的PS启动光化学反应产生活性氧（ROS），最终导致不可逆的细胞破坏和治疗性肿瘤消融。ROS主要来源于光敏剂被特定波长光激发时，将电子转移到分子氧或其他电子受体形成的超氧阴离子和自由基（I型反应），或将电子能量转移到基态分子氧产生的单线态氧（¹O₂）（II型反应）。PTT则是另一种微创治疗方法，它利用光热剂将光能转化为热，选择性破坏肿瘤细胞的同时保全周围健康组织。由于能够提供局部和靶向治疗，PTT作为一种有前景的癌症治疗模式受到了极大关注。

传统光源对组织穿透有限，阻碍了深部肿瘤的治疗。为解决此问题，近红外二区（NIR-II，900-1700 nm）光疗应运而生，将穿透深度延伸至3厘米。当与增强肿瘤靶向的纳米递送系统结合时，可显著改善深部组织的治疗效果。此外，肿瘤中的缺氧限制了PDT的有效性。诸如自供氧纳米平台等创新策略，可以在原位产生氧气或使肿瘤血管正常化以增加氧供。PTT也可能因热扩散有损伤健康组织的风险，而PDT会引起皮肤光敏。智能响应纳米系统可根据TME信号切换治疗模式，在循环中保持“关闭”状态，到达肿瘤时激活PTT和PDT，并释放化疗药物进行多模式精准治疗。未来的研究将聚焦于开发多功能光敏剂、光开关系统和免疫疗法。

金属离子依赖性细胞死亡

MIDCD是一种重要的非凋亡性细胞死亡形式，其定义为由特定细胞内金属离子失衡触发、并由特定分子通路介导的细胞死亡。它不同于凋亡、焦亡等经典细胞死亡类型，不依赖于凋亡相关蛋白或表现出典型的凋亡形态。在电子显微镜下，常表现为细胞膜完整性早期破坏和细胞器肿胀。本质上，MIDCD是细胞金属离子调节失败的结果。当金属转运蛋白异常或金属伴侣蛋白功能失常时，就可能诱导MIDCD。在生物学上，MIDCD能清除金属离子积累的受损细胞，并限制病原体感染以维持组织稳态。它也与多种疾病相关，并已成为癌症治疗的新靶点。破坏癌细胞金属离子稳态并特异性诱导MIDCD的疗法已进入部分临床试验阶段。

铁死亡

铁死亡是近年来发现的一种受调节的细胞死亡形式，不同于凋亡、坏死等其他已知的细胞死亡机制。其特征是铁依赖性脂质过氧化物积累，导致氧化损伤和随后的细胞死亡。铁死亡被认为是包括癌症、神经退行性疾病和缺血再灌注损伤在内的多种疾病的潜在治疗靶点。在癌症背景下，诱导肿瘤细胞发生铁死亡，为选择性清除癌细胞同时保全正常细胞提供了一种新方法。铁的铁依赖性和脂质过氧化特征为开发旨在触发或抑制这一受调节细胞死亡通路的靶向治疗策略提供了机会。因此，铁死亡是一种铁依赖性的、受调节的细胞死亡形式，以脂质过氧化物积累和随后的氧化损伤为特征。

铁死亡机制涉及调控该过程的分子通路和关键因子的复杂相互作用。铁死亡的三个重要部分是铁代谢、脂质过氧化（LPO）和谷胱甘肽（GSH）系统，后者包括酶GPX4。铁在调节铁死亡中扮演着非常重要的角色。细胞铁水平受到参与铁摄取、储存和外排的蛋白质的严格控制。铁输入主要由转铁蛋白受体1（TFR1）和二价金属转运蛋白1（DMT1）进行，而铁输出则由膜铁转运蛋白协助。当这些铁转运蛋白调节不当时，会破坏铁稳态，导致铁死亡易感性增加。铁也是芬顿反应的关键部分，该反应从H₂O₂产生活性极高的·OH。在芬顿反应中，铁与H₂O₂反应，产生强氧化剂·OH，后者启动LPO。依赖铁的ROS通过芬顿反应生成，导致了铁死亡过程。此外，铁死亡的特征之一是脂质过氧化物积累，它们来源于细胞膜中多不饱和脂肪酸（PUFAs）的氧化损伤。包括芬顿反应产生的·OH在内的ROS，攻击并氧化PUFAs，导致脂质氢过氧化物形成。脂质氢过氧化物的积累破坏膜完整性，损害细胞功能，并最终导致铁死亡性细胞死亡。最后，包括还原型GSH及其代谢相关酶的GSH系统，是铁死亡非常重要的调节因子。GPX4是一种在保护细胞免受铁死亡中起核心作用的酶。GPX4利用GSH作为辅助因子，还原脂质氢过氧化物并防止其在细胞膜中积累。通过阻止脂质过氧化物的有害作用，GPX4维持膜完整性并保护细胞免于铁死亡性细胞死亡。抑制GPX4功能或耗尽GSH会导致脂质过氧化物解毒功能障碍，细胞对铁死亡的易感性增加，铁死亡性细胞死亡增多。

铜死亡

铜是人体中非常重要的微量元素，参与许多重要的生物过程，包括细胞呼吸、抗氧化反应和神经递质合成。铜的平衡对于维持细胞和器官的健康至关重要。但当铜离子积累过多时，可能引起一系列毒性反应，最终导致细胞损伤和死亡。

铜死亡是一种由铜离子引起的、具有复杂且独特机制的新型细胞死亡。关于铜离子摄取和转运，Cu²⁺主要通过细胞膜上的铜转运蛋白进入细胞，CTR1是摄取铜离子的主要蛋白。ATP7A和ATP7B主要负责控制细胞内铜离子的去向和排出过程，以维持体内铜离子在正常范围。进入细胞后，铜离子通常附着在ATOX1、COX17等铜伴侣蛋白上，这些蛋白将它们运送到靶酶或其他重要蛋白。铜离子引起的氧化应激在铜死亡中也扮演重要角色。Cu²⁺可以通过芬顿反应和哈伯-韦斯反应促进ROS产生。这些高活性自由基会损伤细胞内的脂质、蛋白质和DNA，引起氧化损伤，并因细胞严重受损而加速细胞死亡过程。线粒体功能失调是铜死亡的另一个重要标志。铜离子附着在线粒体内的关键酶上，扰乱了三羧酸（TCA）循环的代谢步骤。这导致ATP合成功能障碍，细胞能量不足，使细胞无法维持其正常的生理功能。线粒体膜电位丧失是细胞死亡的重要标志。膜电位丧失意味着线粒体内外的离子平衡被打破，影响了细胞内的稳定状态，并加速了细胞死亡过程。内膜通透性增加、线粒体内更强的氧化应激过程以及细胞内钙离子浓度升高，都是铜死亡过程中的重要事件。

钙超载

钙离子（Ca²⁺）是一种普遍存在的细胞内信使，被称为“第二信使”。与经典的金属离子依赖性调节性细胞死亡通路不同，钙超载并不构成一个独立的细胞死亡程序，而是作为一种有效的应激放大机制，使肿瘤细胞对光疗诱导的凋亡或坏死更敏感。内质网是细胞储存钙的主要场所。它通过使用肌浆/内质网Ca²⁺-ATP酶（SERCA）将钙泵入内质网来维持高浓度钙。线粒体通过电压依赖性阴离子通道（VDAC）和线粒体钙单向转运体（MCU）摄取Ca²⁺，形成内质网-线粒体钙信号耦合。这种耦合依赖于线粒体相关内质网膜（MAM）的结构完整性，其中由1,4,5-三磷酸肌醇受体（IP3R）、葡萄糖调节蛋白75（GRP75）和VDAC1形成的复合物是钙转运的核心通道。

钙超载破坏线粒体膜电位，导致线粒体通透性转换孔（MPTP）开放。当MPTP开放时，细胞色素c从线粒体释放。这种蛋白质随后启动涉及caspase的级联反应，最终触发细胞程序性死亡——凋亡。同时，过量的Ca²⁺也会刺激ROS的产生，引起氧化应激，进一步削弱线粒体功能，形成恶性循环。同时，内质网储存大量Ca²⁺。当发生钙超载时，内质网将Ca²⁺释放到细胞质中，这可能由IP3受体或兰尼碱受体介导。这种过度释放既带来了内质网应激，也导致了钙信号紊乱，进一步加剧了细胞器功能障碍，破坏了细胞内Ca²⁺的动态平衡，并导致了更多的病理反应。此外，细胞通常依靠钙泵主动排出Ca²⁺以维持稳态。然而，在钙超载策略中，Ca²⁺的动态平衡常常通过抑制钙外排或增强细胞外钙内流而被破坏。最后，钙超载还能激活钙依赖性蛋白酶和磷脂酶，导致细胞骨架蛋白降解和细胞膜完整性破坏，最终引发坏死性凋亡或焦亡。当细胞骨架被破坏，细胞失去支撑和正常形态。同时，细胞膜损伤导致细胞内物质泄漏。这两者都是细胞死亡的直接标志。因此，本综述将钙超载作为一种非经典的、金属相关的协同机制而非明确的MIDCD亚型进行讨论，强调其在光热或光动力激活下降低细胞耐受阈值的作用。

其他金属离子依赖性细胞死亡

镁、锰和锌也可能通过引起氧化应激、线粒体功能障碍和凋亡等机制导致细胞死亡。但它们在具体目标和具体机制上有所不同。需要注意的是，细胞内的离子浓度通常是精确调控的。离子在低浓度时通常是正常细胞生理功能所必需的，只有在异常浓度时才会导致细胞死亡。它们通过破坏线粒体、改变细胞膜通透性、扰乱细胞内离子平衡、以及阻断DNA合成和修复来导致细胞死亡。它们还激活氧化应激、内质网应激、自噬和锌诱导的细胞死亡等过程，最终导致凋亡或坏死。

铁死亡与光疗的协同效应

并非所有铁离子介导的氧化损伤都能等同于铁死亡，因为真正的铁死亡性细胞死亡严格需要铁依赖性LPO并伴随GSH/GPX4轴的破坏。基于这种机制的明确性，最近的研究进展日益转向整合光疗、催化治疗和诊断能力的多功能纳米平台，从而实现更精准高效的治疗干预。在此类集成设计中，铁死亡与PDT或PTT的组合成为一种特别强大的协同策略，因为光疗产生的ROS和局部高热加速了LPO，从而加强了铁死亡的执行。相反，铁死亡相关的代谢重编程促进了细胞内H₂O₂向O₂的转化，部分缓解了肿瘤缺氧，进而提高了需氧PDT的疗效。同时，光热加热增强了芬顿型反应，并促进了治疗药物的细胞摄取，进一步放大了ROS的产生。通过这种双向增强，建立了氧化应激和调节性细胞死亡的自我传播循环，从而在降低药物剂量和光照强度的情况下实现有效的肿瘤消融。总之，铁死亡与光疗的协同耦合不仅增强了抗肿瘤疗效，也为精准癌症治疗提供了一个有前景的范式，为后续聚焦于集成纳米平台设计如何进一步优化治疗精度和结果的部分奠定了概念基础。

铁死亡增强光疗的机制

在基于铁死亡的协同系统中，光疗并非作为一个独立的细胞毒性机制，而是主要作为应激放大器发挥作用。通过迅速提高细胞内氧化压力，光疗加速了铁驱动的LPO，并将细胞推至超出铁死亡防御通路（如GSH依赖性抗氧化系统）缓冲能力的极限。重要的是，铁死亡通过将瞬时的氧化应激转化为不可逆的膜损伤，重新定义了光疗的生物学结果。正是这种功能耦合，而非冗余的ROS生成，构成了观察到的“1+1 > 2”协同效应的基础。

铁死亡增强PDT

铁死亡可以通过多种方式增强PDT。一种方式是产生更多细胞毒性自由基。PDT依赖于在辐照下分子氧吸收能量产生的细胞毒性ROS来杀死肿瘤细胞。铁死亡是一种铁依赖性的程序性细胞死亡。在此过程中，铁可以通过芬顿反应与肿瘤中过量的过氧化氢反应生成·OH。羟基自由基也是一种ROS，可以进一步氧化PUFAs产生LPO，从而损伤细胞结构和完整性。这补充了PDT产生的ROS类型和数量，增强了对肿瘤细胞的氧化应激损伤。此外，它还能增强氧化应激损伤。PDT产生的ROS，与铁死亡产生的羟基自由基和脂质过氧化物共同作用于肿瘤细胞。这显著增加了细胞内氧化应激水平，超出了细胞自身的抗氧化能力，对细胞结构和功能造成更严重的损害，从而提高了治疗效果。例如，脂质过氧化物的积累会破坏细胞膜的完整性和稳定性，影响细胞的正常生理功能，最终促进肿瘤细胞死亡。

例如，Wu等人首先阐明了紫草素（AE）诱导铁死亡的代谢途径，然后通过共同挤压AE纳米晶体、预制的红细胞膜和铁，开发了一种新型的铁蛋白修饰的仿生AE纳米晶体（AE@RBC/Fe NCs），用于PDT和铁死亡的协同治疗。被肿瘤细胞摄取后，肿瘤细胞中过表达的磷脂酶D可以分解AE@RBC/Fe NCs外层的磷脂成分，导致AE纳米晶内核暴露和释放。AE不仅具有光敏剂特性，在激光照射下将细胞内氧气转化为¹O₂，还通过抑制谷胱甘肽S-转移酶P1（GSTP1）的活性启动铁死亡。更重要的是，得益于铁蛋白的参与，由于Fe³⁺供应和氧气补充，AE介导的铁死亡和PDT都得到了有效增强。

铁死亡增强PTT

联合PTT和铁死亡治疗的机制主要体现在两个方面。首先，PTT可以增强铁死亡。光热剂（PTA）在近红外（NIR）照射下将光能转化为热能。局部温度升高可以促进更多铁从化合物或载体中释放，为铁死亡提供必要的来源，从而增强铁死亡效应。它还能加速LPO，强化铁死亡过程，同时破坏肿瘤细胞的抗氧化系统，降低细胞内GSH水平，减少细胞的抗氧化能力，破坏氧化还原平衡，并增强铁死亡的诱导。其次，铁死亡也可以优化PTT。铁死亡过程可以降低PTT中热休克蛋白（HSPs）的表达，削弱对PTT的耐受性，从而增强PTT的疗效。此外，铁死亡引起的膜损伤和通透性增加，有助于PTA更好地进入细胞内部，提高PTT的有效性，使肿瘤细胞更容易受到热损伤和死亡。

例如，Yu等人证明成功构建了Fe-PDA-EPI@FA-RBCm NPs，用于协同递送表柔比星（EPI）、Fe³⁺和聚多巴胺（PDA），用于低温PTT放大的铁死亡。内置的光热效应和细胞内酸性pH共同促进了类芬顿反应动力学，弥补了单独铁死亡效率低的不足，在体外诱导了高效的铁死亡-PTT。确实，在体外和体内铁死亡-PTT治疗期间，铁死亡标志物GPX4的表达水平显著下调。此外，在温和PTT的辅助下，体内结果显示肿瘤生长受到显著抑制，表明光热激活协同放大了铁死亡和凋亡通路，从而增强了治疗效果。

铁基联合治疗组分

铁基纳米载体，包括铁有机框架和血红蛋白纳米颗粒，可有效递送PS并在TME中释放Fe²⁺/Fe³⁺。这些离子催化芬顿反应，产生ROS，从而增强LPO并诱导铁死亡。

Fe₃O₄基纳米材料

Fe₃O₄基纳米材料因其独特的催化、光热和免疫调节特性，已成为增强PTT和PDT的多功能制剂。在酸性TME中，Fe₃O₄释放Fe²⁺/Fe³⁺以触发芬顿或类芬顿反应，从而产生活性自由基并放大ROS以增强PDT或化学动力疗法（CDT），同时通过LPO诱导铁死亡。此外，它们与光敏剂或光热剂的整合提高了近红外吸收、光热转换和氧气生成，以克服肿瘤缺氧，进一步增强了PDT疗效。例如，Qin等人构建了Fe₃O₄/ICG-乳酸氧化酶/过氧化氢酶共载杂化纳米凝胶，可调节O₂再分配和H₂O₂激活，以同时增强CDT和PDT。Liang等人设计了超小Fe₃O₄@PGL NPs，能够实现成像引导的PDT，同时释放的铁离子通过芬顿反应诱导铁死亡。Ding等人开发了一种含PpIX修饰的Fe₃O₄纳米颗粒和抗PD-L1前药的双响应水凝胶，其中联合PDT和CDT产生放大的ROS以诱导免疫原性细胞死亡（ICD）和检查点阻断，实现协同免疫治疗。类似地，Chin等人制备了Fe₃O₄@叶绿素簇纳米颗粒，将PDT诱导的单线态氧与CDT介导的铁死亡相结合，同时重编程免疫抑制性TME。Xu等人合成了具有MRI能力和高光热转换效率的蛋黄-壳结构Fe₃O₄@碳@Pt-Ce6纳米酶，用于催化-PDT-PTT联合治疗。Zhou等人开发了Fe₃O₄@Au纳米复合材料，在单波808 nm激光下具有强光热转换效率和单线态氧生成能力，实现了高效的磁靶向辅助PTT/PDT。此外，Zhang等人证明了Fe₃O₄@牛血清白蛋白（BSA）-Ce6纳米颗粒可通过PDT同时诱导凋亡，并通过LPO诱导铁死亡，实现协同肿瘤根除。总之，这些研究凸显了Fe₃O₄在调节TME、增强ROS产生以及整合PTT、PDT、CDT和铁死亡以实现高效协同癌症治疗中的多方面作用。

Fe₂O₃基纳米材料

如今，Fe₂O₃因其可定制的形态、优异的类芬顿催化活性和良好的近红外吸收，被广泛用于构建协同放大PDT和PTT的多模式纳米平台。Zhao等人通过液体扩散策略设计了FeTCPP/Fe₂O₃金属有机框架（MOF）“纳米米”。铁节点有效催化内源性H₂O₂产生·OH并同时生成O₂，缓解肿瘤缺氧，显著促进卟啉光敏剂的单线态氧生成，从而实现了高水平的PDT/CDT协同。Curcio等人进一步制备了以γ-Fe₂O₃纳米花为核心、以多刺CuS为壳的IONF@CuS杂化物。该纳米平台在808 nm照射下表现出42%的光热转换效率，在交变磁场下具有约350 W/g的比吸收率，能够同时进行PTT、磁热疗和PDT，并在单次治疗后导致肿瘤完全消退。为了最大化Fe₂O₃的氧供应和ROS级联能力，Gan等人构建了集成了MgO₂介导的H₂O₂自供应与Fe₂O₃双重酶模拟活性（过氧化氢酶CAT/过氧化物酶POD）的MgO₂-Fe₂O₃/CNx-Ce6纳米反应器。在660 nm光照射4分钟后，该平台持续将肿瘤内H₂O₂转化为O₂和·OH，为PDT/CDT产生丰富的ROS，并将乳腺癌细胞存活率降至14%，同时在体内抑制肿瘤血管生成。此外，Fe₂O₃的超顺磁性赋予了纳米载体磁靶向递送和磁共振成像（MRI）可见性。Haimov-Talmoud等人将mTHPC共价连接到Ce掺杂的γ-Fe₂O₃纳米颗粒上，施加外部磁场使药物在肿瘤中的积累增加了一倍。随后的PDT使小鼠肿瘤显著缩小。总之，Fe₂O₃不仅作为固有的光热剂直接产生热量，还通过芬顿化学放大氧化应激、缓解缺氧，并整合了磁靶向、成像和药物递送功能，为“可视化靶向多模态”癌症光疗提供了通用且强大的纳米工程策略。

Fe³⁺基配合物

Fe³⁺基配位配合物因其独特的氧化还原活性和TME响应性，已被广泛研究作为增强PTT和PDT的多功能纳米平台。具体而言，Fe³⁺参与芬顿或类芬顿反应