临床铁氧化物试剂的再利用：温和热疗辅助癌症治疗新策略

《Cell Reports Physical Science》：Repurposing clinical iron oxide agents for mild hyperthermia-assisted cancer therapy

　　本研究针对铁氧化物纳米颗粒(IOs)单独抗癌效果不佳的难题，开发了光热/超声诱导的温和热疗(~43°C)增强铁毒性新策略。通过加速Fenton反应诱导铁死亡(ferroptosis)和免疫原性细胞死亡(ICD)，在结直肠癌腹膜转移模型中获得37.5%的完全治愈率，并在人源化PDX模型中验证了其临床转化潜力，为临床批准的铁剂再利用提供了新范式。

　　

在癌症治疗领域，铁氧化物纳米颗粒(IOs)作为一类重要的铁基试剂，早已获得临床批准作为补铁剂或影像造影剂使用。然而，尽管其表面丰富的Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对能够通过Fenton反应产生活性氧(ROS)，但单独使用时对实体瘤的治疗效果远不理想。这成为制约其临床转化的主要瓶颈。

与此同时，热疗作为一种非侵入性癌症治疗手段备受关注。肿瘤组织由于血管系统紊乱、散热效率低，对热效应更为敏感。传统高温热疗(>45°C)虽能消融肿瘤，但易损伤健康组织；而温和热疗(41-43°C)又往往难以达到理想治疗效果。特别是对于结直肠癌腹膜转移这种临床难题，常规的热灌注化疗(HIPEC)因化疗药物非特异性分布常导致严重并发症，且不能显著延长患者生存期。

基于Arrhenius方程原理，温度升高可加速化学反应速率。南方科技大学李晓团队由此提出科学假设：温和热疗能否增强铁氧化物的Fenton反应，从而提升其抗癌效能？这一思路如能验证，将为实现临床批准铁剂的抗癌应用转化提供新途径。

研究人员首先设计合成了一种近红外二区(NIR-II)吸收的共轭寡聚物作为光热试剂。通过氯原子取代策略，成功开发出BTDCI-TQE寡聚物，其光热转换效率(PTCE)高达75%，显著优于未氯代类似物(66%)。理论计算表明，氯取代增强了分子内扭转电荷转移(TICT)效应和重组能，促进了非辐射衰变途径，从而提升光热性能。

将油分散性铁氧化物与寡聚物共包裹后，研究人员获得了BTDCI-TQE-Fe纳米颗粒(BT-IOs)。体外实验显示，在43°C温和热疗条件下，BT-IOs能显著增强癌细胞内的ROS和脂质过氧化(LPO)水平，诱导免疫原性细胞死亡(ICD)，表现为钙网蛋白(ecto-CRT)膜暴露和高迁移率族蛋白B1(HMGB1)释放。在4T1肿瘤模型中，该策略实现了肿瘤完全消融，并有效防止肺转移。

为提升临床转化潜力，团队进一步优化策略，采用临床批准的铁剂ferumoxytol和超声技术，开发了铁超声疗法(FUT)。超声能提供组织穿透力更强的温和热疗(~43°C)，在体外实验中，FUT处理使CT26癌细胞存活率降低约三分之二，且这一效应可被铁死亡抑制剂Fer-1逆转。

机制研究表明，FUT处理显著上调了ROS、LPO和长链脂酰辅酶A合成酶4(ACSL4)表达，同时下调谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)水平，证实铁死亡通路被激活。同时，cleaved caspase-3表达上调表明凋亡也参与其中。这种混合细胞死亡模式成功诱导了ICD，为激活抗肿瘤免疫奠定了基础。

在皮下CT26肿瘤模型中，单次FUT治疗即可实现肿瘤完全消退且无复发。免疫分析显示，肿瘤组织中CD4⁺和CD8⁺T细胞浸润显著增加，促炎M1型巨噬细胞比例上升，血清和肿瘤组织中肿瘤坏死因子α(TNF-α)和干扰素γ(IFN-γ)水平提高，表明免疫抑制性肿瘤微环境得到逆转。

尤为重要的是，FUT还能诱导长期免疫记忆。在双肿瘤模型中，原发瘤经FUT治疗后，远端继发瘤生长也受到完全抑制，脾脏和肿瘤引流淋巴结中记忆T细胞(Tem和Tcm)比例显著增加。这表明FUT不仅能消除局部肿瘤，还能建立系统性抗肿瘤免疫，防止肿瘤复发和转移。

在结直肠癌腹膜转移这一临床难题上，FUT展现出显著治疗效果。CT26-Luc细胞腹腔移植模型模拟了临床腹膜转移情况，FUT治疗组小鼠生存时间显著延长，62.5%的小鼠在4周时仍存活，其中37.5%实现完全治愈。长期存活的治愈小鼠体内检测到增加的记忆T细胞，证实FUT诱导了持久的免疫记忆。

为克服人鼠物种屏障，研究团队进一步在hPBMC人源化CDX和PDX模型中验证FUT疗效。将人外周血单核细胞(hPBMCs)注射入NCG小鼠后，FUT处理能有效消除HT-29-Luc肿瘤，并抑制肺转移。在人源化PDX模型中，FUT同样表现出显著抗肿瘤效果，证实其在不同肿瘤模型中的广泛适用性。

本研究的关键技术方法包括：氯代共轭寡聚物的合成与表征、纳米颗粒的制备与性能评价、多种肿瘤模型的建立(皮下移植瘤、腹膜转移瘤、双肿瘤模型等)、免疫细胞分析(流式细胞术、免疫荧光)、人源化小鼠模型的构建(使用来自HLA-A2⁺健康供体的hPBMCs)、临床样本的PDX模型验证等。

研究结果

光热增强铁氧化物策略的设计与验证

通过合理的分子设计，研究人员开发出具有高光热转换效率的氯代共轭寡聚物BTDCI-TQE。该材料在1064nm激光照射下能有效产生温和热疗(43°C)，加速铁氧化物介导的Fenton反应，诱导肿瘤细胞铁死亡和免疫原性细胞死亡。在4T1乳腺癌模型中，该策略实现了肿瘤完全消融，并有效防止肺转移。

超声辅助铁疗法的机制研究

采用临床批准的铁剂ferumoxytol和超声技术，研究人员开发了FUT策略。机制研究表明，43°C温和热疗能显著增强ferumoxytol的铁死亡诱导能力，表现为ROS和LPO水平升高，GPX4表达下调。同时，细胞发生混合死亡模式(铁死亡和凋亡)，并释放ICD相关信号分子(ecto-CRT和HMGB1)。

体内抗肿瘤效果与免疫应答

在CT26结直肠癌模型中，FUT单次治疗即可完全消除肿瘤，且无复发。免疫分析显示，治疗后肿瘤微环境中T细胞浸润增加，M1型巨噬细胞比例上升，细胞因子TNF-α和IFN-γ水平提高，表明免疫抑制状态得到逆转。更重要的是，FUT能诱导长期免疫记忆，防止肿瘤复发。

腹膜转移模型的治疗成效

在模拟临床腹膜转移的模型中，FUT治疗显著延长小鼠生存时间，37.5%的小鼠实现完全治愈。治愈小鼠体内建立免疫记忆，有效防止肿瘤复发。这一结果对于临床腹膜转移的治疗具有重要参考价值。

人源化模型中的验证

在hPBMC人源化CDX和PDX模型中，FUT展现出良好的抗肿瘤效果，证实其能激活人源免疫系统对抗肿瘤。这为临床转化提供了有力支持，表明该策略具有克服物种屏障的潜力。

研究结论与意义

本研究成功开发了一种基于临床批准铁剂的温和热疗增强抗癌策略，通过光热或超声诱导的43°C热疗环境，显著提升铁氧化物的Fenton反应效率，诱导肿瘤细胞铁死亡和免疫原性细胞死亡。该策略不仅能够直接消除肿瘤，还能逆转免疫抑制性肿瘤微环境，激活系统性抗肿瘤免疫，建立长期免疫记忆，有效防止肿瘤复发和转移。

特别是在结直肠癌腹膜转移这一临床难题上，FUT实现了37.5%的完全治愈率，展现出显著临床转化潜力。研究在人源化PDX模型中的成功验证，进一步强化了其临床适用性。这种将已有临床批准药物与新治疗策略相结合的思路，为癌症治疗提供了新范式，有望在未来的临床应用中发挥重要作用。

该研究的创新性在于巧妙平衡了治疗效果与临床可行性，利用已有临床批准材料，通过物理手段增强其生物效应，避免了复杂药物开发过程。同时，研究深入探讨了作用机制，从分子水平到整体动物水平系统验证了治疗效能，为后续临床转化奠定了坚实基础。