铁是人体必需的元素，铁离子在多种代谢过程中发挥着重要作用。Fe(III)也与肿瘤的恶性行为密切相关。铁稳态影响巨噬细胞分化和极化，抑制或促进肿瘤生长。铁离子还能够诱导产生活性氧（ROS），过量的的铁离子会上调ROS，导致癌细胞死亡，即铁死亡。这种肿瘤抑制效果为外源性Fe(III)用于肿瘤治疗提供了可能性。除了在抗癌症上的应用，Fe(III)还能用于MRI。因此，进行精细设计，获得适合于肿瘤微环境释放Fe(III)的可激活探针，以增强MRI，提高肿瘤的治疗效果十分必要。

中科院化学研究所高明远、侯毅课题组研制了一种基于配位不饱和Fe(III)的纳米探针用于增强MRI，提高肿瘤治疗效果。由于Fe(III)具有复杂和多重的功能，因此必须对Fe(III)的释放进行仔细的监测。为此，采用上转换纳米颗粒(UCNP)作为GA-Fe(III)络合物生长的核心，所得探针记为UCNP@GA-Fe(III)。

图1. UCNP@GA-Fe(III)探针在MRI上的激活功能及其涉及多个通路的治疗功能（图片来源：Angew . Chem. Int. Ed.）

经静脉注射后，纳米探针与转铁蛋白结合，增强肿瘤靶向性，通过受损血管，在肿瘤区域积聚。一旦通过转铁蛋白受体介导被肿瘤摄取，配位不饱和的探针外壳就会被低肿瘤微环境pH激活，因此Fe(III)离子的d-电子自旋方向被重新排列，从而增强了MRI的T₁效应。释放的Fe(III)也可以通过上调ROS加速肿瘤细胞的死亡，而探针表面残留的GA-Fe(III)在激光照射下作为加热中心用于光热治疗（PTT）。同时，通过比较UCNP不同发射线在体内的衰减情况，光学监测Fe(III)的释放过程。因此，高明远、侯毅课题组设计的纳米探针集成了可激活的磁共振成像能力，Fe(III)的治疗功能和GA-Fe(III)的PTT效应。

UCNP@GA-Fe(III)纳米探针的电镜结果显示GA-Fe(III)络合物表面有效地提高了UCNPs的粒径，而动态光散射(DLS)数据进一步证实了GA-Fe(III)络合物涂层的均匀性。此外，红外光谱也证实了UCNP@GA-Fe(III)的结构。在验证了UCNP@GA-Fe(III)探针的结构之后，作者对酸性环境有利于释放Fe(III)进行了研究。电镜结果显示，酸性条件下纳米颗粒表面粗糙。这恰好说明了Fe(III)的释放。紫外吸收表明UCNPs是酸性依赖的。

图2. UCNP@GA-Fe(III)探针和pH触发的Fe(III)释放（图片来源：Angew . Chem. Int. Ed.）

无论是成像还是治疗，肿瘤特异性靶向能力都是非常需要的。共聚焦荧光显微镜图像表明UCNP@GA-Fe(III)探针对肿瘤细胞有非常好的特异性亲和力。进一步结果表明，之所以有这种特异亲和力，是因为UCNP@GA-Fe(III)探针能够从血清中吸收不饱和转铁蛋白(uTf)。理想的肿瘤靶向治疗药物应该对肿瘤细胞有毒，但对正常组织无毒或低毒。因此，作者进行了MTT试验，结果表明UCNP@GA-Fe(III)探针对癌细胞有很强的细胞毒性，配位不饱和Fe(III)具有诱导铁中毒的能力。铁中毒是由于过量摄取铁离子而导致细胞内ROS水平升高，从而破坏细胞器。ROS的共聚焦成像显示UCNP@GA-Fe(III)处理的细胞ROS的水平升高。

图3. UCNP@GA-Fe(III)探针的靶向性，毒性，和对ROS的影响（图片来源：Angew . Chem. Int. Ed.）

随后，作者以LS180人结直肠癌异种移植BALB/c裸鼠为动物模型，进行MR成像研究。结果表明经尾静脉注射的UCNP@GA-Fe(III)探针在体内具有明显的肿瘤靶向性。通过475 nm和802 nm两种通道记录的UCL信号非常可靠，可以用于光学监测体内Fe ³⁺的释放，甚至可以根据I₄₇₅ /I₈₀₂绘制Fe³⁺的释放图谱。

图4. 体内肿瘤的MR和上转换发光成像（图片来源：Angew . Chem. Int. Ed.）

基于MR和UCL成像的研究结果，作者进一步研究了UCNP@GA-Fe(III)探针对肿瘤的综合治疗效果。结果清楚地表明，与接受PBS和紫杉醇(PTX)治疗的对照组相比，UCNP@GA-Fe(III)探针具有明显的肿瘤抑制作用。

图5. UCNP@GA-Fe(III)探针的治疗效果（图片来源：Angew . Chem. Int. Ed.）

总结：中科院化学研究所高明远、侯毅课题组基于肿瘤微环境pH触发的Fe³⁺释放，制备了一种可激活的MR成像探针，用于增强MRI和肿瘤治疗。在该研究中，反铁磁耦合的引入使得可以通过pH引发的Fe-O-Fe结构的破坏和Fe³⁺的释放来提高T1成像效果；而配位不饱和铁(III)引入后形成的络合物，很好地调节了Fe³⁺的释放动力学从而增强体内肿瘤的MR成像；UCNPs作为探针载体，使非侵入性监测Fe³⁺的释放成为可能。总之，基于配位不饱和Fe(III)的可激活探针，它可能对肿瘤的敏感成像和有效治疗有用，而探针的精细设计为监测外源性Fe³⁺在治疗诊断应用中的释放提供了一个新的平台。

撰稿人：犟子柳