CeO₂纳米颗粒：铁死亡调控领域的新星【AbMole】

在细胞死亡的神秘世界里，有一种独特的 “铁依赖型” 细胞死亡方式 —— 铁死亡，正逐渐成为科研界的焦点。铁死亡与多种疾病的病理过程紧密相连，从癌症到神经退行性疾病，从心血管疾病到肝脏疾病，它的身影无处不在。然而，现有的铁死亡抑制剂面临着水溶性差、生物利用度低、靶向性不足等诸多挑战，寻找更高效、更安全的调控手段迫在眉睫。就在这时，纳米医学的兴起带来了新的希望，尤其是二氧化铈纳米颗粒（CeO₂ NPs），凭借其卓越的抗氧化性能和独特的生物相容性，走进了科学家的视野。​

一、探秘铁死亡：机制与挑战​

铁死亡是一种区别于凋亡、焦亡和自噬的程序性细胞死亡，其核心特征是铁离子驱动的脂质过氧化反应失控，最终导致细胞膜破裂。当细胞内的抗氧化系统失衡，特别是谷胱甘肽（GSH）耗竭、谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPX4）活性下降时，脂质过氧化物会大量积累，引发致命的级联反应。线粒体的形态变化也是铁死亡的重要标志，包括线粒体萎缩、外膜破裂和嵴消失，这些变化与铁代谢、脂质代谢和线粒体代谢的紊乱密切相关。​

目前，针对铁死亡的干预策略主要集中在清除过量铁离子、抑制脂质过氧化等方面。例如，铁螯合剂去铁胺（DFO，AbMole BioScience 产品）通过结合游离铁离子发挥作用，而小分子抑制剂 Liproxstatin-1 则专注于抑制脂质过氧化。然而，这些传统抑制剂在实际应用中困难重重。DFO 的水溶性有限，且可能对正常铁代谢产生干扰；Liproxstatin-1 的生物利用度低，系统性毒性问题亟待解决。因此，开发具有更高生物相容性和靶向性的新型调控剂成为当务之急。​

二、CeO₂ NPs 的独特优势：从结构到功能​

CeO₂ NPs 作为一种纳米酶，具有令人惊叹的抗氧化能力，这源于其独特的化学结构和价态转换特性。铈元素在 Ce³⁺和 Ce⁴⁺之间的电子转移，使其能够高效清除超氧阴离子（・O₂⁻）、羟基自由基（・OH）和过氧化氢（H₂O₂）等活性氧（ROS）。通过透射电子显微镜（TEM）观察发现，实验中使用的 CeO₂ NPs 呈近球形，平均直径仅为 3.9±1.7 nm，极小的尺寸使其具备良好的细胞渗透性。动态光散射（DLS）和电泳光散射分析显示，其在水中的流体力学直径为 16.0 nm，表面带有负电荷，这有助于在生物介质中保持稳定分散，避免聚集。​

X 射线光电子能谱（XPS）进一步揭示了 CeO₂ NPs 的氧化态组成，其中 Ce³⁺占比约 32.6%，这种混合价态是其抗氧化活性的关键。同时，高密度的氧空位结构为自由基清除提供了更多活性位点。在不同介质中的稳定性测试表明，CeO₂ NPs 在水、磷酸盐缓冲液（PBS）、细胞培养基（DMEM）和胎牛血清（FBS）中均能保持良好的分散性，长达 10 天不出现沉淀，这为其在生物体系中的应用奠定了坚实基础。​

三、体外实验：CeO₂ NPs 的铁死亡抑制之旅​

（一）细胞相容性与摄取​

为了评估 CeO₂ NPs 的生物安全性，研究人员选用了 HT-1080（人纤维肉瘤细胞）和 HK-2（人肾近端小管上皮细胞）两种细胞模型。CCK-8 细胞 viability 检测结果令人惊喜：即使浓度高达 1000 μM，两种细胞的存活率仍保持在 90% 以上，低浓度（1-10 μM）的 CeO₂ NPs 甚至对 HK-2 细胞的生长具有促进作用，充分证明了其优异的生物相容性。​

通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）对细胞内铈含量的测定发现，HT-1080 细胞对 CeO₂ NPs 的摄取呈现时间依赖性，6 小时时细胞内铈浓度为 0.37 ng / 百万细胞，24 小时时升至 0.59 ng / 百万细胞，且这种摄取过程并未引起明显的细胞毒性。这表明 CeO₂ NPs 能够顺利进入细胞内部，为后续发挥作用做好了准备。​

（二）ROS 清除能力验证​

在体外自由基清除实验中，研究人员采用甲基紫（MV）作为探针，利用 Fenton 反应产生・OH，观察 CeO₂ NPs 对 MV 褪色的抑制效果。随着 CeO₂ NPs 浓度从 5 μM 增加到 100 μM，・OH 清除率从 16.1% 显著提升至 69.9%，呈现出明显的浓度依赖性。进一步通过观察 CeO₂ NPs 溶液在加入 H₂O₂后的颜色变化，证实了其类似过氧化氢酶（CAT）的活性 —— 加入 H₂O₂后溶液变黄，10 天后恢复无色，再次加入 H₂O₂又重新变黄，表明 CeO₂ NPs 具有重复的 CAT-like 活性，能够持续催化 H₂O₂分解为水和氧气。​

在细胞水平的 ROS 检测中，DCFH-DA 探针显示，经铁死亡诱导剂 RSL3 处理后，HT-1080 细胞内的 ROS 水平（绿色荧光信号）显著升高，而预先用 CeO₂ NPs 处理的细胞，其 ROS 水平明显降低。流式细胞术的定量分析进一步支持了这一结果，证明 CeO₂ NPs 能够有效清除细胞内的过量 ROS，减轻氧化应激损伤。​

（三）铁死亡抑制效果评估​

以 RSL3 诱导的 HT-1080 细胞铁死亡模型为研究对象，CCK-8 实验显示，单独使用 RSL3 时细胞存活率降至约 30%，而预先用 CeO₂ NPs 处理 24 小时的细胞，存活率随 CeO₂ NPs 浓度升高而显著提升，即使是 1 μM 的低浓度也能有效保护细胞。在 HK-2 细胞中也观察到了类似的保护作用，表明 CeO₂ NPs 对多种细胞类型的铁死亡均有抑制潜力。​

透射电子显微镜（TEM）观察线粒体形态发现，RSL3 处理导致线粒体肿胀、嵴减少和外膜破裂，而 CeO₂ NPs 预处理能够明显减轻这些损伤，恢复线粒体的正常结构。利用 C11-BODIPY 探针检测脂质过氧化水平，结果显示 CeO₂ NPs 与已知铁死亡抑制剂 DFO（AbMole 产品）、Liproxstatin-1 一样，能够显著降低 RSL3 诱导的脂质过氧化产物，荧光成像也直观地证实了这一点。​

进一步检测细胞内的谷胱甘肽（GSH）和丙二醛（MDA）水平发现，CeO₂ NPs 能够阻止 RSL3 引起的 GSH 耗竭，同时减少 MDA 的积累。FerroOrange 探针检测细胞内亚铁离子（Fe²⁺）水平显示，RSL3 处理后 Fe²⁺浓度升高，而 CeO₂ NPs 和 DFO 处理均能将其恢复至正常水平，表明 CeO₂ NPs 在减少铁离子积累方面发挥了重要作用。​

四、蛋白质组学揭秘：CeO₂ NPs 的分子调控网络​

为了深入探究 CeO₂ NPs 抑制铁死亡的分子机制，研究人员运用蛋白质组学技术，对不同处理组的细胞进行了全面的蛋白质表达分析。通过 Label-free 定量蛋白质组学，共鉴定到 5814 种蛋白质，其中在铁死亡组（RSL3 处理）和救援组（RSL3+CeO₂ NPs 处理）分别筛选出 1124 个和 1149 个差异表达蛋白（DEPs）。​

通过比较两组差异蛋白，发现 895 个蛋白的表达变化在 CeO₂ NPs 处理后得到逆转，这些蛋白涉及多种关键生物过程，如谷胱甘肽代谢、脂质代谢和线粒体功能调控。KEGG 通路富集分析显示，CeO₂ NPs 处理显著影响了与神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）相关的蛋白表达通路，这些疾病均与铁死亡密切相关。Gene Ontology（GO）分析进一步表明，这些差异蛋白主要定位于线粒体和高尔基体，参与脂质和谷胱甘肽代谢等分子功能，提示 CeO₂ NPs 通过调节这些代谢通路来增强细胞的抗氧化能力和抗铁死亡能力。​

进一步与铁死亡相关数据库 FerrDb 比对，发现 23 个铁死亡调控蛋白的表达在 CeO₂ NPs 处理后恢复正常。蛋白质 - 蛋白质相互作用（PPI）网络分析确定了 5 个关键蛋白：GPX4、PRDX6、PRDX1、VDAC2 和 PARK7（DJ-1）。Western blot 实验验证了这些蛋白的表达变化：RSL3 诱导的铁死亡导致 PRDX1、PRDX6 和 DJ-1 表达下调，VDAC2 表达上调，而 CeO₂ NPs、DFO 和 Liproxstatin-1 处理均能逆转这些变化。其中，GPX4 是抑制脂质过氧化的关键酶，PRDX1 和 PRDX6 参与过氧化物代谢，DJ-1 与胱氨酸代谢相关，VDAC2 则调控线粒体氧化还原功能，它们的协同作用构成了 CeO₂ NPs 调控铁死亡的核心分子机制。​

五、CeO₂ NPs vs 传统抑制剂：优势与潜力​

与传统的铁死亡抑制剂相比，CeO₂ NPs 展现出多方面的显著优势。从作用机制来看，传统抑制剂如 DFO（AbMole 产品）主要通过螯合铁离子单一途径发挥作用，Liproxstatin-1 则专注于抑制脂质过氧化，而 CeO₂ NPs 凭借其独特的价态转换和氧空位结构，能够直接清除多种 ROS，从源头抑制氧化应激反应。同时，它还能通过调节关键蛋白的表达，如上调抗氧化酶和抗铁死亡蛋白、下调促铁死亡蛋白，实现对铁死亡的多靶点调控，这种 “双重打击” 的策略显然比单一机制更具优势。​

在实验效果方面，CeO₂ NPs 在抑制 RSL3 诱导的脂质过氧化、恢复 GSH 水平等方面表现出色，甚至优于部分传统抑制剂。例如，它能显著提高细胞内 GSH 水平，而这是传统抑制剂难以做到的。此外，CeO₂ NPs 的生物相容性和细胞摄取能力也为其应用提供了便利，低毒性和良好的分散性使其在体内应用中具有更大的潜力。​

六、未来展望：从实验室到更广阔的天地​

尽管 CeO₂ NPs 在铁死亡调控领域展现出巨大的潜力，但迈向实际应用的道路上仍有许多挑战需要克服。首先是生物安全性问题，虽然短期实验显示其毒性较低，但长期使用时在体内的蓄积情况和潜在副作用仍需深入研究。其次，如何优化 CeO₂ NPs 的物理化学性质，如表面修饰、粒径调控等，以提高其在体内的靶向性和生物分布，是未来研究的重要方向。此外，大规模合成的可重复性和成本控制也是实现临床转化的关键因素。​

从基础研究的角度，CeO₂ NPs 与细胞内信号通路的复杂相互作用仍有许多未知领域等待探索。例如，它是否通过影响 NRF2 等关键转录因子来调控抗氧化基因的表达？在不同疾病模型中的作用是否存在差异？这些问题的解答将为 CeO₂ NPs 的精准应用提供理论支持。​

对于生物专业的学生和从业人员来说，CeO₂ NPs 的研究不仅为铁死亡调控提供了新的思路，也展示了纳米酶在生物医学领域的广阔前景。随着纳米技术与生物学的交叉融合不断深入，我们有理由相信，像 CeO₂ NPs 这样的新型材料将在疾病干预、细胞命运调控等领域发挥越来越重要的作用，为人类健康带来新的希望。​

在这场探索细胞死亡与生存的科学之旅中，CeO₂ NPs 犹如一颗冉冉升起的新星，照亮了铁死亡调控的研究方向。它的故事还在继续，等待着更多科研工作者去挖掘其潜在的宝藏，让我们共同期待这一纳米酶在未来绽放出更加耀眼的光芒。