中南大學最新ACS Nano：可雙重調節腫瘤微環境的級聯納米酶

【背景介紹】

以免疫抑制和缺氧為特征的腫瘤微環境對于癌癥惡化和轉移來說是至關重要的。因此，調節腫瘤微環境以此來提高抗腫瘤性能在腫瘤治療中獲得了極大的關注。然而，目前的研究表明，在腫瘤微環境中同時逆轉免疫抑制和緩解缺氧是一項挑戰。針對這一挑戰，級聯納米酶的出現有望為癌癥治療帶來新的機會。

【成果簡介】

有鑒于此，中南大學的劉又年教授和鄧留副教授等人設計發展了一種多功能平臺（HABT-C@HA），首先將均一的空心白色二氧化鈦作為前驅體由硼氫化鈉進行還原得到黑色的二氧化鈦，再在該材料表面先后合成和修飾金納米顆粒、碳點和透明質酸。研究表明，HABT-C@HA具有內生性的多酶（葡萄糖氧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶）仿生活性，可作為自級聯納米酶循環產生氧氣和活性氧ROS用于聲動力學治療以實現逆轉腫瘤免疫抑制微環境和緩解腫瘤微環境中的缺氧，為實現高效抗癌提供了新的思路。本文第一作者為博士研究生陶娜，研究成果以題為“A Cascade Nanozyme with Amplified Sonodynamic Therapeutic Effects through Comodulation of Hypoxia and Immunosuppression against Cancer”發布在國際著名期刊ACS Nano上。

【圖文解讀】

示意圖一、HABT-C@HA的合成和抗癌治療示意圖

圖一、HABT的表征和納米酶活性

（a,b）HABT不同放大倍數的TEM圖像；

（c）HABT的TEM圖像和元素mapping；

（d）HABT高分辨TEM圖像；

（e）HABT-C的尺寸分布；

（f,g）不同過氧化氫濃度下HABT產生羥基自由基的量，分別用（f）OPDA和（g）TMB檢測；

（h）B-TiO₂, HABT, HABT-C的XRD圖譜；

（i,j）HABT-C的Ti 2p和O 1s特征峰的XPS圖譜。

圖二、氧缺陷增強聲動力學的機制

（a,d）EPR圖譜闡釋了不同組分鈦基材料在超聲輻照下的羥基自由基（a）和單線態氧（d）的產生；

（b,e）在DPBF（b）和MB（e）探針中HABT超聲不同時間的降解；

（c,f）使用DPBF（c）和MB（f）探針比較H₂O，W-TiO₂, B-TiO₂, 和HABT的聲動力學性能；

（g-i）W-TiO₂, B-TiO₂, 和HABT的UV-vis漫反射圖譜和Kubelka?Munk函數關系以及XPS帶隙圖譜；

（j）W-TiO₂, B-TiO₂, 和HABT的能帶結構；

（k）W-TiO₂和B-TiO₂上水分子和氧氣分子的吸附能和電荷差異分布；

（l）氧缺陷增強聲動力學的機制。

圖三、HABT-C@HA腫瘤治療效率的體外評價

（a）不同細胞與HABT-C孵育不同時間內吞圖；

（b）不同處理組的DCFH-DA染色的4T1細胞的熒光圖像；

（c,d）與不同濃度HABT-C孵育后4T1細胞和HUVECs細胞的相對活性；

（e）不同處理組24小時的4T1細胞活性；

（f）超聲下4T1細胞的死活熒光圖像。

圖四、HABT-C@HA介導的活體腫瘤抑制能力

（a）腫瘤治療示意圖；

（b）不同時間間隔下小鼠體內鈦的濃度；

（c）小鼠體重曲線；

（d）小鼠腫瘤體積曲線；

（e）腫瘤生長抑制率；

（f）TUNEL染色定量分析腫瘤壞死區域；

（g）腫瘤血管組織免疫組化染色的數據統計分析；

（h-j）腫瘤組織切片的H&E、TUNEL、CD31染色情況。

圖五、利用RNA-sq分析對HABT-C@HA進行機制研究

（a）實驗組和對照組之間差異表達基因（DEGs）的熱圖；

（b）實驗組和對照組之間差異表達基因的火山圖；

（c）基于DEGs的最顯著生物學過程；

（d）HABT-C@HA治療組關于乏氧的標志通路；

（e）HABT-C@HA治療組關于間充質轉化的標志通路；

（f）ICB療法相關通路的熱圖。

圖六、臨床數據信息

（a）MMP2與免疫細胞浸潤的Spearman關聯分析；

（b）BHLHE40與免疫細胞浸潤的Spearman關聯分析；

（c,d）qPCR分析驗證MMP2與BHLHE40的表達；

（e,f）細胞因子IL-10和TNF-a在血清中的水平；

（g）流式細胞結果分析成熟樹突細胞的占比；

（h,i）Th細胞和毒性T細胞的浸潤情況；

（j）IFN-g在血清中的水平。

【小結】

該工作成功地構建了一種多功能納米酶平臺，具有級聯酶活性和高效的聲動力學效應用以共調節腫瘤微環境中的缺氧和免疫抑制因素。這個腫瘤治療系統具有如下優勢：首先，該系統可作為級聯平臺實現連續的氧氣輸出和豐富的高效ROS產出；其次，理論計算和實驗結果均表明HABT-C@HA的電子陷阱位點可以實現電子-空穴分離和水/氧氣吸附，從而提高響應自由基的催化產生效率；隨后，系統的級聯酶性質、放大的聲動力學活性、靶向性等可有效精準地清除腫瘤。最后，RNA-sq結果揭示了HABT-C@HA可激活免疫響應，下調諸如MPP2和BHLHE40等負相關因子，從而提高免疫浸潤、逆轉腫瘤免疫抑制。HABT-C@HA可以為治療劑應用提供新的策略，也為增強腫瘤催化治療和腫瘤免疫性提供工具。

文獻鏈接：A Cascade Nanozyme with Amplified Sonodynamic Therapeutic Effects through Comodulation of Hypoxia and Immunosuppression against Cancer, ACS Nano, 2021, DOI: 10.1021/acsnano.1c07504.