摘要：铁死亡是一种由氧化还原失衡驱动的特殊细胞死亡方式，其核心特征是铁依赖性脂质过氧化，已成为癌症治疗的潜在靶点。类过氧化物酶（POD）纳米酶，尤其是具有原子级分散位点的 Fe–Nx纳米酶，在促进肿瘤细胞铁死亡中显示出非凡的催化潜力。血红蛋白（Hb）由于其与天然过氧

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*本文首发于“纳米酶 Nanozymes”公众号，2025年05月20日 广东。

*编辑：张祖豪

研究背景 Introduction

铁死亡是一种由氧化还原失衡驱动的特殊细胞死亡方式，其核心特征是铁依赖性脂质过氧化，已成为癌症治疗的潜在靶点。类过氧化物酶（POD）纳米酶，尤其是具有原子级分散位点的 Fe–Nx纳米酶，在促进肿瘤细胞铁死亡中显示出非凡的催化潜力。血红蛋白（Hb）由于其与天然过氧化物酶（HRP）类似的Fe–N5活性位点，被认为是一种伪过氧化物酶（具有类POD活性）。Hb因生物可降解性，有望取代碳基纳米酶应用于癌症治疗，然而该酶的类POD催化反应难以精确控制，其生物安全性仍是一个关键问题。

受一氧化碳（CO）毒化Hb的启发，长春应化所林君/马平安团队开发了一种可控的、可生物降解的催化纳米平台DPHCO，该平台将碳氧血红蛋白（HbCO）与四价铂（Pt(IV)）前药整合至二硫键桥联的树枝状介孔有机二氧化硅纳米粒（DMON）。在血液循环中，由于HbCO的Fe位点与CO之间形成的键（CO 5→Fe 3dz2）和反馈π键（Fe 3dxy/dyz→CO 2π），诱导强化学吸附效应，导致其位点的钝化。而肿瘤部位的H2O2能诱导HbCO的Fe价态由二价（Ferrous, FeⅡ）转变为四价（Oxo-Ferryl, FeⅣ）和三价（Ferric, FeⅢ）, 减弱了Fe与CO之间的键合作用，因而CO气体脱附并暴露出Hb的Fe–N5 活性位点（示意图1a）。在被癌细胞摄取后，DPHCO可通过脂质过氧化物（LPO）生成和谷胱甘肽（GSH）耗竭两种途径促进铁死亡（示意图1b）。在途径一中，Hb的ferric-ferryl催化循环受过氧化物激活，展现出类POD催化活性并诱导LPO生成，该过程进一步受到顺铂介导的H2O2内源供给的增强。此外，CO和顺铂的释放可进一步导致线粒体功能障碍和胞内ROS水平升高。途径二中，Pt(IV)和DMON通过氧化还原反应消耗GSH，随后下调GPX4。通过协同增强ROS生成和抑制GSH/GPX4轴，DPHCO在体内外均能显著促进4T1肿瘤细胞铁死亡。

示意图1. 不同处理条件下Fe–N5位点的Fe价态变化和DPHCO的抗肿瘤机理。

研究内容 Results and Discussion

研究团队首先对HbCO的Fe–N5位点“OFF/ON”活性调控进行了详细研究。通过监测HbCO溶液OD 538 nm 特征吸收峰强度变化，证实了H2O2能有效激活Fe–N5位点。激活过程中释放的气体由GC-MS确认为CO。激活过程中的铁价态变化由原位UV-vis光谱和低温（77 K）EPR波谱分析确认。

图1. Hb的Fe–N5位点再激活过程表征。

随后，该团队对构建的DPHCO纳米平台进行了表征。通过TEM、HAADF-STEM、FT-IR光谱、Z电位和CD色谱确认了DPHCO的组成成分。通过UV-vis光谱、便携式CO检测器、以及低温（77 K）EPR波谱分析验证了DPHCO纳米粒中HbCO的性能。

图2. DPHCO纳米平台的结构和性能表征。

随后，团队对再激活Hb的类POD催化活性进行了系统研究。在该催化过程中，活化的H2O2更倾向于异裂，促使Fe=O中间体（FeⅣ=O物种）的生成。该FeⅣ=O物种作为结合态ROS，能够诱导不饱和脂肪酸（PUFAs）的过氧化反应。进一步以花生四烯酸（AA）作为代表性PUFAs，以H2O2或CumOOH作为氧源，并采用POBN作为脂质自由基（LO·）捕获剂，验证了再激活Hb介导的脂质氧化过程。此外，反应结束后大量丙二醛（MDA）生成，再次证实了再激活Hb介导的脂质过氧化能力。

图3. 再激活Hb的类POD催化活性。

由于Hb的类POD催化活性与CO气体的共同作用，经HbCO处理的4T1癌细胞的LPO水平升高并伴随严重线粒体功能障碍，表现出铁死亡特征。该铁死亡效应进一步受到顺铂的协同增强。此外，为进一步评估DPHCO的性能，该团队将其与商业GPX4抑制剂（RSL3）和铁螯合剂（Hemin）进行比较。CCK-8实验结果表明，Hemin（剂量相当于DPHCO中铁含量的两倍）对4T1癌细胞的杀伤效果较差，RSL3能对4T1癌细胞有效杀伤却对NIH-3T3正常细胞的毒性过大，只有DPHCO兼具了有效性和安全性。此外，DPHCO在下调GPX4蛋白和促进线粒体ROS生成方面与RSL3表现相当。

图4. 细胞水平的DPHCO抗肿瘤性能。

在活体实验中，DPHCO处理的4T1荷瘤小鼠表现出最佳抑瘤效果，同时显著延长了生存时间，表明其在抗肿瘤治疗中的卓越潜力。

图5. 活体水平的DPHCO抗肿瘤性能。

总结 Conclusions

总之，该研究团队提出了一种新型、可调控、可降解的纳米平台DPHCO，通过将 HbCO与Pt(Ⅳ)整合至DMON，实现协同促进乳腺癌细胞的铁死亡效应。该纳米平台基于气体修饰与铁价态调控机制，实现了对Hb的Fe–N5催化位点“OFF/ON”活性的精准调控。Fe–N5催化位点因Fe–CO键的稳定结合而处于暂时失活状态。而在肿瘤微环境中，高浓度H2O2诱导铁价态转变（FeⅡ → FeⅢ/FeⅣ），伴随CO解吸，并重新激活催化位点，恢复其类 POD催化能力。再激活的Hb在催化过程中遵循典型的Michaelis–Menten动力学，且与密度泛函理论（DFT）计算结果吻合，诱导4T1细胞的脂质过氧化。体内外实验进一步表明，再激活的Hb及释放的CO可驱动癌细胞铁死亡，并在顺铂的协同作用下得到增强，最终实现显著的肿瘤抑制并延长荷瘤小鼠的生存时间。

与传统Hb体系不同，这项研究拓展了其在癌症治疗中的功能，使其作用不仅仅局限于氧气运输。此前，Hb诱导铁死亡的机制普遍被归因于铁补充，而这项研究强调了Hb的类POD催化活性在其中的关键作用。此外，Hb与CO的结合不仅能暂时钝化催化位点，还可作为一类CO释放分子（CORM），通过CO气体递送增强治疗效果。这一发现为新型纳米酶开发及CORM体系优化提供了新的见解。此外，越来越多的证据表明，铁死亡过程可促使损伤相关分子模式（DAMPs）释放，提高肿瘤细胞的免疫原性。因此，基于HbCO体系的创新应用在肿瘤治疗领域展现出广阔的前景。

该工作以“Boosting Cancer Cell Ferroptosis with Carbon Monoxide Poisoned Hemoglobin”为题目发表于Journal of the American Chemical Society，论文第一作者为中科院长春应化所稀土资源利用国家重点实验室助理研究员王梅芳，通讯作者为林君研究员和马平安研究员。

来源：科学的十分