Nature nanotechnology 用于(yú)腫瘤細胞特異性代謝治療的(de)人(rén)工代謝酶

An artificial metabzyme for tumour-cell-specific metabolic therapy

Xi Hu, Bo Zhang, Miao Zhang, Wenshi Liang, Bangzhen Hong, Zhiyuan Ma, Jianpeng Sheng, Tianqi Liu, Shengfei Yang, Zeyu Liang, Jichao Zhang, Chunhai Fan, Fangyuan Li & Daishun Ling

發表期刊：Nature Nanotechnology

影響因子(zǐ)：38.1

DOI: 10.1038/s41565-024-01733-y

研究背景

新陳代謝紊亂與癌症、糖尿病和(hé / huò)心血管疾病等一(yī / yì ／yí)系列難以(yǐ)治愈的(de)疾病有關。在(zài)腫瘤微環境（TME）中的(de)代謝情況，是(shì)選擇癌症療法的(de)重要(yào / yāo)途徑。現有的(de)代謝療法一(yī / yì ／yí)般都缺乏腫瘤細胞特異性，其治療效率往往受到(dào)不(bù)可預見的(de)脫靶效應和(hé / huò)持續時(shí)間短的(de)限制。

酶在(zài)協調TME内的(de)新陳代謝轉變方面發揮着關鍵作用，能将底物快速連續轉化爲(wéi / wèi)産物，表現出(chū)良好的(de)靶标特異性。類似酶的(de)納米催化劑可模拟多種天然酶，包括氧化還原酶、水解酶、裂解酶等。目前，制造具有類似多金屬代謝酶特性的(de)合成納米酶是(shì)一(yī / yì ／yí)項艱巨的(de)挑戰。作者的(de)靈感來(lái)自于(yú)黃嘌呤氧化還原酶（XOR），它将黃嘌呤轉化爲(wéi / wèi)尿酸（UA），其特點是(shì)具有鐵和(hé / huò)四面體钼的(de)結構。XOR與各種癌症的(de)不(bù)良預後有關，對炎症反應有重要(yào / yāo)影響。某些黃嘌呤衍生物的(de)免疫抑制特性和(hé / huò)尿酸在(zài)增強抗腫瘤免疫力方面的(de)顯著作用都顯示出(chū)XOR的(de)關鍵意義。

技術方法

代謝組學、轉錄組學、微生物組學、空氣動力輔助解吸電噴霧質譜成像（AFADESI-MSI）、流式細胞術和(hé / huò)質譜流式分析、液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）、氣相色譜-質譜（GC-MS）

研究亮點

作者聚焦天然代謝酶和(hé / huò)腫瘤-免疫細胞互作調控，合成鐵和(hé / huò)四面體钼原子(zǐ)構象的(de)FeMoO₄人(rén)工代謝酶，爲(wéi / wèi)代謝異常相關疾病（包括腫瘤、心血管疾病、痛風、糖尿病等）提供基于(yú)人(rén)工代謝酶的(de)全新代謝免疫調控策略，開創化學生物學驅動的(de)精準代謝治療新範式。

研究思路

作者設計了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)種獨特的(de)溶蝕-吸附-固定的(de)程序，合成出(chū)FeMoO₄納米催化劑，一(yī / yì ／yí)種新型人(rén)工代謝酶，具有Fe²⁺和(hé / huò)四面體Mo⁴⁺活性中心的(de)結構，精确模拟了(le／liǎo)類似XOR的(de)催化領域（圖1a）。這(zhè)種人(rén)工代謝酶在(zài)到(dào)達含有低水平XOR和(hé / huò)黃嘌呤底物的(de)腫瘤細胞時(shí)，會巧妙地(dì / de)将黃嘌呤快速轉化爲(wéi / wèi)過量的(de)尿酸，觸發巨噬細胞釋放促炎細胞因子(zǐ)、白細胞介素，從而(ér)促使M1巨噬細胞極化，并激活其他(tā)免疫細胞。這(zhè)種代謝調控促進了(le／liǎo)細胞間代謝的(de)通訊，協同免疫細胞對腫瘤細胞發起攻擊，推動了(le／liǎo)腫瘤細胞特異性代謝療法（圖1b）。該人(rén)工代謝酶展示了(le／liǎo)在(zài)生命代謝畫布上(shàng)靶向改造腫瘤細胞的(de)潛力，将腫瘤細胞自己定位爲(wéi / wèi)一(yī / yì ／yí)個(gè)燃燒的(de)“火花”來(lái)刺激免疫系統的(de)定點激活。

圖1：用于(yú)腫瘤細胞特異性代謝治療的(de)FeMoO₄人(rén)工代謝酶示意圖

研究結果

1.代謝酶的(de)合成與機理研究

作者設計了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)種獨特的(de)溶蝕-吸附-固定的(de)程序，Mo空位成爲(wéi / wèi)鐵原子(zǐ)協調吸附和(hé / huò)固定的(de)錨點，最終導緻原子(zǐ)和(hé / huò)晶體結構的(de)動态變化，促進了(le／liǎo)四面體Mo⁴⁺活性中心的(de)出(chū)現，合成出(chū)FeMoO₄納米催化劑，一(yī / yì ／yí)種新型人(rén)工代謝酶。其具有Fe²⁺和(hé / huò)四面體Mo⁴⁺活性中心的(de)結構，精确模拟類似XOR的(de)催化域（圖2）。

 圖2：設計具有四面體催化框架的(de)多金屬酶

通過透射電鏡、元素分析、球差電鏡和(hé / huò)同步輻射等技術方法，證實了(le／liǎo)Fe以(yǐ)單原子(zǐ)形式均勻分布在(zài)FeMoO₄人(rén)工代謝酶結構中。研究還發現，FeMoO₄人(rén)工代謝酶中Fe和(hé / huò)Mo元素價态分别爲(wéi / wèi)Fe²⁺/Fe3+和(hé / huò)Mo⁴⁺/Mo⁵⁺/Mo⁶⁺；此外，Fe的(de)摻雜顯著提高了(le／liǎo)Fe-O-Mo的(de)電子(zǐ)轉移效率，爲(wéi / wèi)在(zài)生命體系高效催化腫瘤細胞代謝産物黃嘌呤奠定了(le／liǎo)理化結構基礎（圖3）。

圖3：FeMoO4代謝酶的(de)理化特征

2. 代謝酶模拟催化活性的(de)機理

爲(wéi / wèi)理解FeMoO₄代謝酶促進UA形成的(de)反應機制，作者通過密度泛函理論（DFT）計算發現FeMoO₄通過與羟基（OH）反應形成OH-MoO-Fe複合物，促進黃嘌呤的(de)氫化物轉移，從而(ér)提高了(le／liǎo)UA的(de)生成效率（圖4a）。Fe原子(zǐ)摻雜引起的(de)MoO₃晶格重排，顯著提高了(le／liǎo)FeMoO₄人(rén)工代謝酶對黃嘌呤底物的(de)吸附能力和(hé / huò)表面電子(zǐ)活性，這(zhè)在(zài)黃嘌呤轉化爲(wéi / wèi)尿酸的(de)催化過程中起到(dào)了(le／liǎo)關鍵作用，凸顯了(le／liǎo)鐵驅動催化的(de)重要(yào / yāo)性。通過與天然XOR酶進行平行比較，四面體Mo⁴⁺成分促進了(le／liǎo)黃嘌呤的(de)氧化。FeMoO₄代謝酶的(de)高電子(zǐ)傳遞效率以(yǐ)及催化結構與以(yǐ)Mo和(hé / huò)Fe爲(wéi / wèi)中心的(de)XOR酶的(de)一(yī / yì ／yí)緻性，賦予了(le／liǎo)它模仿XOR催化的(de)強大(dà)能力。這(zhè)種能力生動地(dì / de)體現在(zài)UA的(de)穩定生成上(shàng)（圖4h）。

 圖4：FeMoO₄代謝酶類XOR催化機理的(de)DFT研究

3.代謝酶對腫瘤細胞代謝的(de)調節作用

作者進一(yī / yì ／yí)步研究了(le／liǎo)FeMoO₄代謝酶和(hé / huò)UA代謝産物在(zài)體外腫瘤細胞-巨噬細胞串聯中的(de)作用。定量分析顯示，FeMoO₄代謝酶處理後腫瘤細胞分泌的(de)UA明顯增加（圖5a）。FeMoO₄代謝酶促進與巨噬細胞之(zhī)間的(de)細胞間代謝串聯，從而(ér)産生有效的(de)抗腫瘤反應，揭示了(le／liǎo)FeMoO₄代謝酶介導的(de)腫瘤細胞内黃嘌呤代謝在(zài)抗腫瘤免疫反應激活中的(de)深遠作用。采用非靶向液相色譜質譜聯用（LC-MS）方法，測量了(le／liǎo)腫瘤組織中UA和(hé / huò)相關代謝物的(de)定量特征，用于(yú)研究FeMoO₄代謝酶治療後腫瘤細胞特異性代謝重塑的(de)情況。FeMoO₄-甲胎蛋白酶處理組與對照組的(de)UA水平存在(zài)明顯差異（圖5h,i）。 

通過空氣動力輔助解吸電噴霧質譜成像（AFADESI-MSI）分析和(hé / huò)Lillie染色，直接觀察代謝組和(hé / huò)FeMoO4代謝酶的(de)空間分布（圖5j）。腫瘤組織的(de)代表性代謝物成像圖顯示UA上(shàng)調，高濃度UA代謝物的(de)空間位置與FeMoO₄代謝酶的(de)位置重合（圖5k-m）。空間代謝組學有力的(de)證實了(le／liǎo)FeMoO₄代謝酶分布與癌症代謝重編程之(zhī)間的(de)直接關系。作者提取了(le／liǎo)特定區域的(de)原位AFADESI-MSI圖譜，以(yǐ)分析FeMoO₄作用的(de)腫瘤組織中Fe²⁺富集區和(hé / huò)缺乏區的(de)代謝物強度（圖 5n）。特别是(shì)，在(zài)FeMoO₄代謝酶保留明顯的(de)腫瘤組織中，UA代謝物的(de)強度明顯超過周圍微區，也(yě)超過了(le／liǎo)對照組腫瘤組織的(de)水平，這(zhè)表明代謝酶定位與UA代謝重編程之(zhī)間存在(zài)密切的(de)相關性。

 圖5：FeMoO₄代謝酶介導的(de)代謝重編程

4.基于(yú)代謝調節的(de)抗腫瘤免疫反應

FeMoO₄人(rén)工代謝酶能夠有效抑制B16F10腫瘤的(de)生長。作者通過流式細胞術和(hé / huò)質譜流式分析等技術，發現FeMoO₄人(rén)工代謝酶顯著提高了(le／liǎo)腫瘤組織中M1型巨噬細胞、CD8+ T細胞、CD4+ T細胞和(hé / huò)成熟樹突狀細胞（DCs）的(de)比例，同時(shí)上(shàng)調了(le／liǎo)IL-1、TNF和(hé / huò)IL-12等促炎細胞因子(zǐ)的(de)水平。作者根據上(shàng)述結果得出(chū)結論：尿酸分子(zǐ)作爲(wéi / wèi)“定位和(hé / huò)激活信号”介導腫瘤細胞與免疫細胞的(de)之(zhī)間的(de)相互作用：

1）尿酸誘導鄰近的(de)巨噬細胞向M1表型極化，并激活NLRP3/IL-1通路，從而(ér)使巨噬細胞能夠識别并吞噬“被定位”的(de)腫瘤細胞；

2）尿酸和(hé / huò)促炎細胞因子(zǐ)IL-1能夠增強DCs和(hé / huò)T細胞等免疫細胞活性，從而(ér)特異性激發抗腫瘤免疫應答。此外，FeMoO₄人(rén)工代謝酶與PD-1單抗聯用能夠更有效地(dì / de)抑制腫瘤生長，并延長小鼠的(de)生存期（圖6）。

FeMoO₄代謝酶具有超越免疫抑制腫瘤爲(wéi / wèi)緩解和(hé / huò)增強B16黑色素瘤PD-L1表達的(de)潛力，可爲(wéi / wèi)提高檢查點阻斷療法的(de)反應率提供有力的(de)替代方案。

 圖6：FeMoO₄代謝酶用于(yú)腫瘤細胞特異性代謝治療

結論

作者報告了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)種能無縫模拟類似XOR催化域的(de)人(rén)工代謝酶，開創性的(de)設計了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)種獨特的(de)“溶蝕-吸附-固定”技術，将鐵原子(zǐ)結合到(dào)氧化钼催化劑中，同時(shí)進行原子(zǐ)重排，以(yǐ)反映XOR的(de)催化特征。該人(rén)工代謝酶在(zài)腫瘤細胞内協調黃嘌呤代謝，産生過量的(de)UA，通過觸發促炎細胞因子(zǐ)的(de)産生來(lái)激活免疫系統。作者的(de)“人(rén)工代謝酶”概念可能會催生一(yī / yì ／yí)個(gè)新興的(de)“代謝酶替代療法”領域，爲(wéi / wèi)完善先天性和(hé / huò)後天性代謝紊亂的(de)治療提供一(yī / yì ／yí)條途徑。

采用非靶向代謝組和(hé / huò)AFADESI-MSI空間代謝組技術測量了(le／liǎo)腫瘤組織中UA和(hé / huò)相關代謝物的(de)定量特征，用于(yú)研究FeMoO4代謝酶治療後腫瘤細胞特異性代謝重塑的(de)情況。高濃度UA代謝物的(de)空間位置與FeMoO4代謝酶的(de)位置重合，空間代謝組技術有力的(de)證實了(le／liǎo)FeMoO4代謝酶分布與癌症代謝重編程之(zhī)間的(de)直接關系。空間代謝組相關多組學技術的(de)應用場景廣闊，可用于(yú)疾病機制研究，标志物篩選，調控機制分子(zǐ)機制研究，是(shì)科研的(de)好幫手。

原文鏈接

PMID: 39103450 DOI: 10.1038/s41565-024-01733-y