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東華大學沈明武研究員/史向陽教授團隊:銅摻雜層狀雙金屬氫氧化物共遞送蛋白/藥物調控腫瘤雙重代謝實現級聯的化學動力學/免疫治療
2025-02-08  來源:高分子科技

  代謝重編程是癌癥的重要特征之一。腫瘤細胞的特定代謝途徑及其在腫瘤微環境(TME)中積累的代謝產物大大限制了效應T細胞對腫瘤細胞的免疫監視和殺傷能力。靶向TME改變腫瘤代謝途徑被認為是下一代癌癥治療的理想策略。研究表明,TME中乳酸的積累不僅促進了腫瘤的生長、侵襲和轉移,還削弱了效應T細胞和自然殺傷細胞的功能,并促進了巨噬細胞的M2型免疫抑制表型轉化,從而建立了免疫抑制微環境。令人鼓舞的是,已被開發的調節乳酸代謝策略,能夠逆轉免疫抑制微環境,激活免疫系統。 


  納米遞送系統為改善蛋白質和小分子藥物的遞送效率提供了一種新的策略,在改變腫瘤和免疫細胞的代謝途徑方面展示出良好的應用潛力。研究顯示,通過納米載體遞送乳酸氧化酶(LOX)或乳酸外排抑制劑來調節乳酸代謝,并結合聲動力治療、光熱治療或化療等策略顯示出良好的抗腫瘤效果。相關研究顯示乳酸作為關鍵代謝靶點,為激活免疫治療提供了一種新的可行策略。然而,當前的乳酸代謝治療策略主要集中在減少乳酸含量,設計能夠同時耗竭TME中乳酸并利用其降解產物過氧化氫(H2O2)增強腫瘤治療的納米藥物可大大提高腫瘤治療效果。此外,由于腫瘤細胞的代謝具有高度的可塑性,將乳酸代謝調節與其他代謝途徑結合起來靶向多條代謝途徑有望實現更高效的代謝調控治療。


  腫瘤細胞的氧化還原代謝被認為是腫瘤治療的一個有效靶點。基于金屬離子介導的芬頓或類芬頓反應的化學動力學治療(CDT)是調節腫瘤氧化還原代謝平衡實現腫瘤治療的典型代表。其原理是通過將H2O2轉化為更具毒性的羥基自由基(?OH),從而誘導腫瘤細胞凋亡。盡管CDT具有良好的應用潛力,但是腫瘤內低濃度的H2O2限制了?OH的持續產生。另外,細胞內高水平的還原性物質谷胱甘肽(GSH)則會捕捉生成的?OH,限制了CDT的治療效果。因此,構建能夠提高H2O2含量并降低GSH水平的納米藥物是提高CDT效率的關鍵。層狀雙金屬氫氧化物(LDH)是一種典型的二維無機納米材料,具有合成簡便、易于摻雜二價和三價金屬離子、對pH敏感和良好的生物相容性等特點,在腫瘤的診斷及治療領域顯示出良好的轉化潛力。


  基于此,東華大學沈明武研究員/史向陽教授團隊設計了一種簡單的Cu2+摻雜LDH納米平臺,共遞送單羧酸轉運蛋白抑制劑雙氯芬酸(DC)和LOX,用于乳酸代謝和氧化還原代謝的雙重調控,旨在實現級聯增強的化學動力學/免疫治療(圖1)。首先,通過共沉淀法合成了LDH-DC納米顆粒,隨后通過靜電相互作用將LOX負載到LDH-DC納米顆粒的表面,進而獲得LDH-DC-LOX納米藥物。


圖1、LDH-DC-LOX納米顆粒的制備及其用于調節乳酸和氧化還原代謝誘導級聯的化學動力學/免疫療法。


  本研究合成的Cu2+摻雜LDH粒徑大小約為50 nm,Cu2+摻雜并負載DC的LDH-DC納米顆粒大小約為55 nm(圖2A-B)。SDS-PAGE分析、紫外光譜分析、紅外光譜分析表明DC和LOX被成功負載到Cu2+摻雜LDH納米平臺(圖2C-E)。水合粒徑測試顯示LDH-DC-LOX納米藥物具有良好的膠體穩定性(圖2F)。此外,LDH-DC-LOX高效保留了LOX催化活性,能夠催化乳酸產生H2O2(圖2G)。摻雜的Cu2+能夠通過類芬頓反應催化H2O2生成毒性更高的?OH(圖2H-I)。


2、(A)LDH和(B)LDH-DC納米顆粒的透射電子顯微鏡(TEM)圖像(標尺:100 μm)。(C)LDH-DC、LOX、LDH-DC-LOX、BSA、LDH-DC-BSA的SDS-PAGE蛋白分析。LDH、DC、LDH-DC、LOX、LDH-DC-LOX的(D)紫外光譜和(E)紅外光譜。(F)LDH-DC-LOX在不同分散劑中的水合粒徑變化。(G)LDH-DC-LOX的乳酸降解能力。(H)LDH-DC-LOX在不同溶液中的電子自旋共振(ESR)圖譜。(I)LDH-DC-LOX與亞甲基藍(MB)溶液反應后的紫外吸收光譜。


  團隊選用4T1小鼠乳腺癌細胞進行體外實驗評價。在一定范圍內,隨著濃度的增加,LDH的抗癌效果逐漸增強,且在負載DC和LOX之后,顯示出更強的抗癌活性(圖3A)。其抗癌機制探究顯示,LDH-DC-LOX共同遞送的DC和LOX能夠顯著降低細胞內及細胞外的乳酸水平(圖3B-C),表明該納米藥物具有良好的乳酸調節能力。摻雜的Cu2+能夠被腫瘤細胞內的GSH還原以降低GSH水平(圖3D)。流式分析顯示,LDH-DC-LOX納米藥物處理后,細胞內活性氧(ROS)顯著增加,原因可能是DC抑制了乳酸外排出癌細胞,LOX將乳酸轉化為H2O2,增加的H2O2促進類芬頓反應生成?OH。此外Cu2+消耗的GSH及Cu+的生成進一步增加了?OH的生成(圖3E-G)。以上結果表明LDH-DC-LOX具有良好的乳酸代謝和氧化還原代謝雙重調節能力。


圖3、(A)不同濃度LDH、LDH-DC-BSA、LDH-LOX或LDH-DC-LOX處理4T1細胞24小時的細胞活力(n = 6)。4T1細胞經不同處理12 h(B)細胞內和(C)細胞外的乳酸含量(n = 3)。4T1細胞經不同處理6 h細胞內的(D)GSH含量及(E和F)ROS含量(n = 3)。(G)LDH-DC-LOX改變腫瘤細胞內氧化還原平衡增加ROS含量示意圖。圖(A-D,F)中,*表示p < 0.05,**表示p < 0.01,***表示p < 0.001。


  激光共聚焦顯微鏡觀察顯示經LDH-DC-LOX處理后,4T1細胞內的ROS含量明顯增加(圖4A),且增加的ROS進一步導致細胞內LPO積累(圖4B)。流式細胞術結果顯示,4T1細胞經不同處理后,與對照組相比,LDH-DC-LOX組展示出最高的凋亡率(圖4C)。


圖4、4T1細胞經不同處理6 h的(A)ROS含量檢測及(B)脂質過氧化物(LPO)含量檢測的激光共聚焦圖片(標尺:20 μm)。(C)4T1細胞經不同處理24 h凋亡檢測的流式細胞術點圖(n = 3)。


  隨后,團隊建立小鼠4T1皮下瘤模型進行體內抗腫瘤效果評價(圖5A)。在治療及監測周期內各組小鼠體重無明顯降低,表面各組材料注射后均無明顯系統毒性(圖5B)。通過監測小鼠腫瘤體積變化并稱量最終的腫瘤質量發現,LDH-DC-LOX具有良好的腫瘤生長抑制效果(圖5C-D)。治療后小鼠的腫瘤切片染色結果也顯示,LDH-DC-LOX組展示出最多的細胞壞死、凋亡及最少的肺部轉移病灶(圖5E-F),表明LDH-DC-LOX在體內具有良好的抑制腫瘤生長及轉移效果。


圖5、(A)小鼠4T1腫瘤建立和抗腫瘤實驗評價流程示意圖。(B)荷瘤小鼠經不同治療后的(B)相對體重變化(n = 5)、(C)相對腫瘤體積變化(n = 5)、(D)腫瘤體積變化(n = 5)。(E)各實驗組小鼠腫瘤切片的H&E及TUNEL染色圖片(標尺:50 μm)。(F)各實驗組小鼠肺組織切片的H&E染色圖片(標尺:1 mm)。圖(C-D)中,*表示p < 0.05,**表示p < 0.01,***表示p < 0.001。


  團隊對LDH-DC-LOX的體內抗腫瘤機制進行了探究。首先是治療后LDH-DC-LOX對體內免疫系統的激活情況。結果顯示,LDH-DC-LOX治療后,腫瘤中乳酸含量顯著降低,腫瘤及脾臟中CD4+ T細胞和CD8+ T細胞浸潤均顯著增加,表明該納米藥物系統在體內具有調節乳酸代謝能力,激活免疫系統,發揮免疫治療效果(圖6A-D)。小鼠血清中的抗腫瘤相關細胞因子水平包括腫瘤壞死因子α(TNF-α)、顆粒酶B(Granzyme-B)和干擾素γ(IFN-γ)等也明顯提升(圖6E-G)。荷瘤小鼠經LDH-DC-LOX治療后免疫系統被激活可能是LDH-DC-LOX治療后腫瘤中乳酸含量降低導致的。此外,LDH-DC-LOX引起的CDT可能導致的免疫原性死亡也一定程度激活免疫系統。


圖6、不同實驗組小鼠腫瘤中(A)CD 4+ T細胞和(B)CD 8+ T細胞的流式細胞術點圖。不同實驗組小鼠脾臟中(C)CD 4+ T細胞和(D)CD 8+ T細胞的流式細胞術點圖。各實驗組小鼠血清中(E)TNF-α、(F)Granzyme-B 和(F)IFN-γ的ELISA檢測結果(n = 3)。圖(E-G)中, **表示p < 0.01,***表示p < 0.001。


  隨后,團隊探究了LDH-DC-LOX治療后激活的免疫治療對CDT的級聯增強機制。結果顯示,LDH-DC-LOX治療后,腫瘤中干擾素調節因子1(IRF1)的表達顯著增加,胱氨酸/谷氨酸反向轉運蛋白(SLC7A11)的表達顯著減少,谷胱甘肽過氧化物酶(GPX4)的表達顯著降低,GSH含量顯著降低(圖7A-D)。腫瘤切片的熒光染色結果及定量分析顯示LDH-DC-LOX組顯示出更高的ROS含量及LPO積累,表明CDT效果被顯著增強(圖7E-G)。其作用機制是LDH-DC-LOX激活免疫系統,增加的IFN-γ誘導了IRF1上調。IRF1的上調抑制了SLC7A11的表達,從而減少細胞內胱氨酸的攝取并抑制GSH的合成。此外,摻雜的Cu2+與GSH反應,同時直接消耗了細胞內的GSH,最終導致細胞內GSH顯著降低。GSH水平降低削弱了腫瘤細胞對?OH損傷的防御能力。此外,SLC7A11的下調間接導致GPX4水平的降低。GPX4是一種依賴GSH的酶,通過中和脂質過氧化氫來防止LPO的積累,從而保護細胞。當GPX4表達降低時,LPO水平顯著增加,從而使腫瘤細胞對CDT的敏感性增加。


圖7、不同實驗組小鼠腫瘤中(A) IRF1、(B)SLC7A11、(C)GPX4蛋白表達水平的定量結果圖。(D)不同實驗組小鼠腫瘤腫GSH含量。不同實驗組小鼠腫瘤的(E和F)ROS和(E和G)LPO熒光圖像及其定量分析。


  綜上所述,本研究設計的LDH-DC-LOX納米藥物具有以下顯著特點:(1)Cu2+、DC、LOX可在酸性TME條件下從納米平臺中釋放;(2)DC和LOX的聯合作用可有效調節乳酸代謝,減少TME中的乳酸,從而激活免疫治療,并生成H2O2;(3)摻雜的Cu2+能夠有效調節腫瘤細胞的氧化還原代謝,通過類芬頓反應將H2O2轉化為更具毒性的?OH,且通過消耗細胞內的GSH增強CDT;(4)LOX催化乳酸產生的H2O2和由免疫應答激活后分泌的細胞因子IFN-γ可進一步增強CDT效果。因此,本研究所設計的LDH-DC-LOX納米藥物能夠有效地調節乳酸和氧化還原雙重代謝途徑,通過級聯作用激活免疫治療并增強CDT,為靶向代謝調控治療腫瘤提供了新的策略。


  以上研究成果以“Copper-doped layered double hydroxides co-deliver proteins/drugs for cascaded chemodynamic/immunotherapy via dual regulation of tumor metabolism”為題,在線發表于國際著名期刊Acta Biomaterialia。東華大學生物與醫學工程學院沈明武研究員和史向陽教授為共同通訊作者,東華大學博士生李高明為第一作者。該工作得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金、上海市科委等項目的資助。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.actbio.2025.02.008

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(責任編輯:xu)
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