帕博西尼联用Ga³⁺纳米平台：口腔鳞癌等CDK4/6高活肿瘤治疗新突破，增强疗效与安全性

在癌症治疗的漫长征途中，科学家们不断探索新的策略以期更精准、高效地打击肿瘤细胞，同时最大限度地保护正常组织。细胞周期蛋白D-CDK4/6-视网膜母细胞瘤（Rb）通路的异常激活，是多种人类癌症中驱动细胞不受控增殖和肿瘤进展的常见事件。针对这一关键通路，选择性CDK4/6抑制剂如帕博西尼（Palbociclib）的出现，为癌症治疗带来了革命性的变革。它通过阻滞细胞周期和诱导肿瘤细胞衰老，展现出显著的治疗潜力，且对正常组织毒性相对较小。然而，这类药物的主要作用是抑制细胞生长而非直接杀死细胞，这导致肿瘤清除不完全和容易产生治疗抵抗。此外，衰老细胞还会分泌衰老相关分泌表型（SASP）因子，反而可能促进肿瘤进展和免疫逃逸，为治疗带来新的挑战。

为了克服这些局限性，北京大学口腔医院王宇光主任医师、Zhang Ludan和Li Yike等研究人员合作，提出了一种名为“衰老启动的铁死亡”的创新策略。他们构建了一种基于金属有机框架（MOF）的纳米平台（ZPG），用于协同递送CDK4/6抑制剂帕博西尼和新型铁死亡诱导剂镓离子（Ga³⁺）。这项突破性研究不仅为口腔鳞状细胞癌（OSCC）等CDK4/6高活性肿瘤的治疗提供了新的思路，也为乳腺癌、脂肪肉瘤等其他CDK4/6驱动的恶性肿瘤带来了希望。相关研究成果以“Senescence-Primed Ferroptosis Enabled by a Metal–Organic Framework Nanoplatform for Enhanced Cancer Therapy”为题，发表在国际权威期刊《ACS Nano》上。

口腔鳞状细胞癌（OSCC）：亟待突破的治疗困境

口腔鳞状细胞癌（OSCC）是头颈部最常见的恶性肿瘤之一，其发病率在全球范围内呈上升趋势。这种癌症以侵袭性强、易转移、标准治疗反应有限和预后差为主要特点。尽管手术、放疗和化疗是OSCC的标准治疗手段，但对于晚期或复发性患者，治疗效果往往不尽如人意，五年生存率较低。因此，开发新的、更有效的治疗策略对于改善OSCC患者的预后至关重要。OSCC中CDK4/6通路的异常高活化，使其成为评估CDK4/6靶向疗法新策略的理想模型。

“衰老启动铁死亡”：创新癌症治疗策略的核心理念

这项研究的核心在于“衰老启动的铁死亡”策略。要理解这一策略，我们首先需要了解两个关键的细胞生物学概念：细胞衰老（Senescence）和铁死亡（Ferroptosis）。

细胞衰老（Senescence）：双刃剑效应

细胞衰老是一种细胞对各种应激（如DNA损伤、氧化应激、致癌基因激活）作出的反应，表现为细胞周期不可逆的停滞。在肿瘤发生早期，细胞衰老被认为是重要的肿瘤抑制机制，可以阻止受损细胞的无限增殖。然而，衰老细胞并非“死亡”细胞，它们仍然具有代谢活性，并会分泌一系列生物活性分子，统称为衰老相关分泌表型（SASP）。SASP因子包括细胞因子、趋化因子、生长因子和蛋白酶等，这些因子在某些情况下可能改变肿瘤微环境，促进炎症反应、血管生成，甚至诱导邻近细胞的恶性转化和免疫逃逸，从而成为肿瘤进展的“帮凶”。因此，如何利用衰老的肿瘤抑制作用，同时消除其潜在的促肿瘤效应，是癌症治疗领域面临的挑战。

铁死亡（Ferroptosis）：一种新型的程序性细胞死亡

铁死亡是一种独特的程序性细胞死亡形式，其特征是铁依赖性的脂质过氧化累积。与传统的细胞凋亡（Apoptosis）不同，铁死亡不涉及半胱天冬酶的激活，而是通过细胞内活性氧（ROS）的生成、铁离子的积累以及脂质过氧化产物的堆积，最终导致细胞膜损伤和细胞死亡。近年来，铁死亡作为一种潜在的癌症治疗靶点受到了广泛关注，因为许多癌细胞对铁死亡表现出高度敏感性，并且诱导铁死亡可以克服一些传统化疗和靶向治疗的耐药性。

ZPG纳米平台：帕博西尼与Ga³⁺的协同递送

为了实现“衰老启动的铁死亡”策略，研究团队精心设计并合成了一种基于ZIF-67金属有机框架（MOF）的纳米平台——ZPG。MOF材料因其高孔隙率、可调谐的结构和良好的生物相容性，在药物递送领域展现出巨大潜力。ZPG纳米平台能够同时负载CDK4/6抑制剂帕博西尼和铁死亡诱导剂Ga³⁺，并具有以下关键特性：

• 良好的生理稳定性： 确保纳米颗粒在体内循环过程中保持完整性，有效抵达肿瘤部位。
• 改善的细胞摄取： 纳米尺寸和表面特性有助于肿瘤细胞高效内吞ZPG。
• 控制性药物释放： ZPG在生理pH下稳定，但在酸性溶酶体环境中能实现pH响应性的药物快速释放，确保药物在肿瘤细胞内高效作用。

示意图1. 用于通过衰老启动铁死亡实现选择性增强癌症治疗的ZPG“纳米净化器” (a) 设计和合成用于癌症治疗的ZPG纳米颗粒示意图。(b) ZPG通过阻断CDK4/6介导的细胞周期进程诱导衰老，从而使肿瘤细胞对Ga³⁺诱导的铁死亡敏感。这种衰老启动的铁死亡策略能够选择性消除具有CDK4/6高活性的肿瘤细胞，同时最大限度地减少对正常细胞的脱靶毒性。 

图1. ZIF、ZP、ZG和ZPG纳米颗粒的合成与表征 (a) ZIF、ZP、ZG和ZPG纳米颗粒的合成示意图。(b) ZIF、ZP、ZG和ZPG纳米颗粒的透射电镜图像。(c) ZIF、ZP、ZG和ZPG纳米颗粒的粒径分布。(d) ZIF、ZP、ZG和ZPG纳米颗粒的能谱元素分布图（Co, Ga）及合并图像。(e) ZPG纳米颗粒的高角度环形暗场扫描透射电镜图像及相应元素分布图。(f) ZIF、ZG和ZPG的X射线光电子能谱全谱图。(g) ZIF、ZP、ZG和ZPG的X射线衍射图谱。(h) ZIF、ZP、ZG、ZPG和游离帕博西尼的傅里叶变换红外光谱图。(i) ZPG纳米颗粒在pH 7.4的磷酸盐缓冲液中孵育不同时间后的透射电镜图像。(j) ZPG纳米颗粒在pH 7.4条件下孵育不同时间后的粒径和zeta电位变化。(k) ZPG纳米颗粒在不同pH缓冲液中帕博西尼的累积释放曲线。(l) ZPG纳米颗粒在不同pH缓冲液中Ga³⁺的累积释放曲线。

帕博西尼（Palbociclib）：CDK4/6抑制剂的机制与应用

帕博西尼是一种口服的细胞周期蛋白依赖性激酶4和6（CDK4/6）抑制剂。CDK4/6在细胞周期G1期向S期的转变中发挥关键作用，其过度活化是许多肿瘤细胞增殖的驱动因素。通过抑制CDK4/6，帕博西尼能够有效阻滞癌细胞的细胞周期，使其停滞在G1期，从而抑制肿瘤生长。帕博西尼已获批用于治疗激素受体阳性（HR+）、人表皮生长因子受体2阴性（HER2-）的晚期或转移性乳腺癌，并显著改善了患者的无进展生存期。然而，如前所述，其诱导的细胞衰老虽然能抑制增殖，但并不能直接杀死所有癌细胞，且可能通过SASP因子促进肿瘤微环境的恶化，导致治疗抵抗和肿瘤复发。

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Ga³⁺：铁死亡诱导剂的独特作用

镓离子（Ga³⁺）作为一种铁死亡诱导剂，其作用机制独特。在生物体内，Ga³⁺能够模拟三价铁离子（Fe³⁺）与蛋白质结合，从而干扰细胞正常的铁代谢过程。铁是许多酶（包括参与DNA合成和能量代谢的酶）的必需辅因子，也是活性氧生成的重要催化剂。通过扰乱铁稳态，Ga³⁺能够促进细胞内活性氧的积累和脂质过氧化，进而诱导癌细胞发生铁死亡。将Ga³⁺与帕博西尼结合，旨在利用帕博西尼诱导的衰老状态，使癌细胞对Ga³⁺诱导的铁死亡更加敏感，从而实现更彻底的肿瘤清除。

体外实验验证：ZPG的肿瘤选择性与协同效应

研究人员在体外对ZPG纳米平台的抗肿瘤活性进行了全面评估。结果显示，ZPG在CDK4/6高活性的OSCC细胞（MOC-1）中表现出优异的细胞摄取和最强的细胞毒性。更重要的是，ZPG对正常成纤维细胞（L929）的毒性显著更低，充分体现了其卓越的肿瘤选择性杀伤能力。这种选择性是实现精准治疗、减少副作用的关键。

高效诱导衰老：增强癌细胞敏感性

实验证实，ZPG处理能够高效诱导MOC-1细胞衰老。具体表现为：

• 细胞周期阻滞： MOC-1细胞G0/G1期阻滞比例大幅增加，表明细胞增殖受到有效抑制。
• 衰老标志物上调： 衰老标志物SA-β-半乳糖苷酶活性和p16INK4a蛋白表达显著上升，这是细胞进入衰老状态的典型特征。
• SASP因子分泌： 虽然SASP因子分泌增多，但后续的铁死亡诱导策略旨在清除这些衰老细胞，从而避免SASP的负面效应。

在正常L929细胞中，这些衰老指标变化甚微，进一步印证了ZPG的肿瘤选择性。重要的是，这种由帕博西尼诱导的衰老状态，导致了癌细胞内抗铁死亡因子（如谷胱甘肽过氧化物酶4, GPX4和谷胱甘肽, GSH）的下调，以及促铁死亡因子（如长链脂肪酰辅酶A合成酶4, ACSL4和二价铁离子, Fe²⁺）的上调。这种分子层面的重编程，削弱了癌细胞的抗氧化防御能力，促进了脂质过氧化，从而使衰老细胞对铁死亡变得高度敏感。

图2. ZPG在OSCC细胞中的选择性及强效抗肿瘤活性 (a) ZPG介导的帕博西尼和Ga³⁺协同增强癌细胞细胞毒性示意图。(b) MOC-1细胞与FITC标记的ZPG孵育不同时间后的共聚焦荧光图像。(c) 通过ICP-MS测定的MOC-1细胞对ZPG或游离Ga³⁺的摄取量。(d) 用不同浓度的ZIF、ZP、ZG和ZPG处理MOC-1细胞12小时后的细胞活力（CCK-8法）。(e) 用不同浓度的ZIF、ZP、ZG和ZPG处理L929细胞12小时后的细胞活力。(f) 在200 μg/mL纳米颗粒浓度下，MOC-1和L929细胞的细胞活力对比。(g, h) 用不同纳米颗粒（200 μg/mL）处理12小时后，MOC-1细胞 (g) 和L929细胞 (h) 的活细胞（绿色，Calcein-AM染色）/死细胞（红色，碘化丙啶染色）荧光图像。

图3. ZIF基制剂诱导衰老的体外评价 (a) ZPG选择性诱导CDK4/6高活性肿瘤细胞衰老示意图。(b) 不同制剂处理后MOC-1细胞周期的流式细胞术分析。(c) 不同制剂处理后MOC-1和L929细胞的代表性SA-β-半乳糖苷酶染色图像及阳性细胞定量分析。(d) 不同制剂处理后MOC-1和L929细胞的代表性p16INK4a免疫荧光图像及阳性细胞定量分析。(e-h) MOC-1和L929细胞中SASP因子（包括IL-1α (e)、IL-6 (f)、IL-8 (g) 和CXCL-10 (h)）的定量分析。(i) 总结MOC-1和L929细胞中衰老相关标志物水平的雷达图。

显著促进铁死亡：彻底清除癌细胞

在衰老启动的基础上，Ga³⁺的递送进一步放大了铁死亡应激。与仅负载单一组分的纳米颗粒相比，ZPG引起了最显著的铁死亡表型：

• 铁离子和活性氧积累： 细胞内Fe²⁺和活性氧（ROS）积累大幅增加，这是铁死亡的关键驱动因素。
• 线粒体功能障碍： 线粒体膜电位下降，表明线粒体功能受损，进一步促进细胞死亡。
• 谷胱甘肽耗竭与脂质过氧化： 谷胱甘肽（GSH）是细胞内重要的抗氧化剂，其耗竭导致细胞失去抵抗氧化应激的能力；脂质过氧化水平升高是铁死亡的标志性事件。
• 乳酸脱氢酶释放： 细胞膜损伤导致乳酸脱氢酶（LDH）释放增多，是细胞死亡的直接证据。

分子生物学分析进一步支持了这一机制。Western blot分析显示，ZPG能够协同下调关键抗铁死亡蛋白GPX4的表达，并上调促铁死亡蛋白ACSL4的表达，从分子水平上促进了铁死亡进程。RNA测序分析（RNA-seq）从全局基因表达层面证实，ZPG处理激活了细胞衰老和铁死亡相关通路，为“衰老启动的铁死亡”策略提供了坚实的分子证据。

图4. ZIF基制剂诱导铁死亡的体外评价 (a) 不同纳米颗粒处理后MOC-1和L929细胞内的Fe²⁺积累。(b) 不同制剂处理后MOC-1和L929细胞内活性氧生成的流式细胞术分析。(c) 不同制剂处理后MOC-1细胞线粒体膜电位的流式细胞术分析。(d) 不同纳米颗粒处理后MOC-1和L929细胞的细胞内GSH水平分析。(e) 不同纳米颗粒处理后MOC-1和L929细胞的LPO水平分析。(f) 不同纳米颗粒处理后MOC-1和L929细胞的LDH释放。(g, h) 不同制剂处理后MOC-1和L929细胞中GPX4和ACSL4表达的Western blot分析 (g) 及密度定量分析 (h)。

图5. ZPG在MOC-1细胞中抗肿瘤作用的RNA测序分析及机制图 (a) ZIF处理和ZPG处理的MOC-1细胞之间差异表达基因的火山图。(b) 差异表达基因的基因本体富集分析。(c) 京都基因与基因组百科全书通路富集分析。与铁死亡、细胞衰老和矿物质吸收相关的通路被高亮显示。(d) 衰老相关基因的热图。(e) 铁死亡相关基因的热图。(f) ZPG诱导衰老启动铁死亡并协同增强抗肿瘤功效的分子机制示意图。

体内抗肿瘤功效：小鼠模型中的突破性表现

为了进一步验证ZPG的治疗潜力，研究人员在MOC-1细胞构建的皮下移植瘤小鼠模型中进行了体内实验。荧光成像结果显示，静脉注射ZPG后，纳米颗粒能够有效富集于肿瘤部位，这对于实现精准靶向治疗至关重要。治疗结果令人鼓舞：

• 肿瘤生长显著抑制： ZPG治疗组的肿瘤生长受到最显著的抑制，肿瘤重量最小，表明其强大的抗肿瘤功效。
• 系统性毒性低： 治疗期间小鼠体重保持稳定，未出现明显的体重下降，这预示着ZPG具有较低的系统性毒性，提高了治疗的安全性。
• 病理学证据： 肿瘤组织病理学分析显示，ZPG治疗组出现大片坏死区域，证实了肿瘤细胞被有效清除。同时，衰老标志物p16INK4a表达上调，增殖标志物Ki67和抗铁死亡蛋白GPX4表达被强烈抑制，从组织学层面验证了衰老启动的铁死亡机制在体内的有效性。

图6. ZPG纳米颗粒的体内抗肿瘤功效 (a) 肿瘤建立、治疗和样本收集的实验时间线示意图。(b) 静脉注射Cy5.5标记的ZPG后不同时间点荷瘤小鼠的荧光图像。(c) Cy5.5标记的ZPG在MOC-1荷瘤小鼠肿瘤中的积累情况。(d) 对照组、ZIF组、ZP组、ZG组和ZPG组的肿瘤生长曲线。(e) 各组肿瘤体积的倍数变化（第14天肿瘤体积与第0天的比值）。(f) 各组剥离的肿瘤照片。(g) 各组的最终肿瘤重量。(h) 治疗期间小鼠的体重变化。(i) 各组肿瘤组织的H&E染色以及p16INK4a、GPX4和Ki67的免疫荧光染色。(j-l) 肿瘤组织中p16INK4a (j)、GPX4 (k) 和Ki67 (l) 表达的定量分析。

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展望与挑战：从实验室到临床的转化之路

这项研究成功开发了一种基于ZIF-67 MOF的“纳米净化器”ZPG，通过协同递送帕博西尼和Ga³⁺，巧妙地实现了“衰老启动的铁死亡”治疗策略。该策略能够选择性地诱导CDK4/6高活性肿瘤细胞衰老，进而敏化并促使它们发生铁死亡，在显著增强抗肿瘤疗效的同时，最大限度地保护了正常细胞，展现出极高的治疗窗口。

这一创新策略不仅为口腔鳞状细胞癌等CDK4/6驱动的恶性肿瘤（如乳腺癌、脂肪肉瘤）提供了充满希望的新治疗思路，也为克服传统CDK4/6抑制剂的耐药性和副作用提供了潜在解决方案。然而，从实验室研究到临床应用的转化仍面临诸多挑战，包括：

• 大规模纳米药物生产： 确保ZPG纳米颗粒的稳定、高效、经济的大规模生产，以满足临床需求。
• 长期生物安全性评价： 尽管小鼠模型显示毒性较低，但在人体内的长期生物安全性、免疫原性及代谢途径仍需进行严格、全面的评估。
• 患者分层与生物标志物： 识别能够从该疗法中获益最大的患者群体，开发有效的生物标志物以指导临床用药和疗效监测。
• 临床试验： 开展严格的I、II、III期临床试验，以验证其在人体内的安全性、有效性和最佳剂量。

尽管挑战重重，但本研究确立的“衰老启动铁死亡”策略，无疑为改善CDK4/6信号过度活化肿瘤的治疗带来了充满希望的新方向。随着纳米医学和肿瘤生物学研究的不断深入，我们有理由相信，这类创新疗法将最终惠及广大癌症患者。

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