基于紫草素-锰的金属免疫刺激剂通过放大活性氧和调控STING/TNF-α轴增强黑色素瘤免疫治疗

《Materials Today Bio》：A Purpurin-based Metalloimmunostimulant Amplifies ROS and Modulates STING/TNF-α Axis to Potentiate Melanoma Immunotherapy

本研究针对黑色素瘤免疫抑制微环境（TME）中促炎免疫细胞浸润不足及多重免疫抑制信号通路持续激活导致免疫治疗疗效受限的难题，开发了一种可降解的紫草素基金属免疫刺激剂（PurpN/Mn@PEG）。该纳米颗粒通过配位驱动自组装紫草素（PurpN）和Mn2+并修饰PEG制成，能在酸性高GSH的TME中解离释放活性成分。研究表明，PurpN/Mn@PEG具有过氧化物酶/氧化酶样活性，可放大活性氧（ROS）风暴并诱导免疫原性细胞死亡（ICD）；同时通过上调CEBPB增强TNF-α分泌，并敏化cGAS-STING通路，协同激活抗肿瘤免疫。体内实验显示其对B16-F10荷瘤小鼠的肿瘤生长抑制率高达87.8%，为逆转免疫抑制性TME、增强黑色素瘤免疫治疗提供了创新策略。

　　

黑色素瘤，这种侵袭性极强的皮肤恶性肿瘤，虽然仅占所有皮肤癌的不到5%，却导致了约75%的皮肤癌相关死亡。尽管免疫检查点阻断（ICB）等免疫疗法显著延长了晚期黑色素瘤患者的中位生存期，但仍有大量患者面临原发性或获得性耐药。其核心困境在于“冷”肿瘤中抗肿瘤免疫力低下、促炎免疫细胞浸润不足以及肿瘤微环境（Tumor Microenvironment, TME）中复杂的免疫抑制网络。因此，开发能够有效逆转免疫抑制TME的新型免疫刺激剂，成为改善黑色素瘤免疫治疗疗效的关键挑战和迫切需求。

在这一背景下，来自中南大学的研究团队在《Materials Today Bio》上发表了一项创新性研究。他们巧妙利用天然产物紫草素（Purpurin, PurpN）——一种从茜草根部提取的具有抗癌活性的生物活性化合物，同时也是天然的活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）诱导剂——与免疫活性金属离子Mn²⁺进行配位驱动自组装，构建了一种可降解的紫草素基金属免疫刺激剂（PurpN/Mn@PEG）。这项研究旨在探索这种新型纳米材料是否能通过协同作用，克服单一疗法的局限，有效重塑黑色素瘤的免疫抑制微环境，从而增强免疫治疗效果。

研究人员综合运用了纳米材料合成与表征、分子动力学模拟、体外细胞实验、转录组学分析以及荷瘤小鼠模型评估等多种关键技术方法。研究队列使用了B16-F10小鼠黑色素瘤细胞系以及由此构建的C57BL/6小鼠荷瘤模型。

Synthesis, Characterization, and Molecular Dynamics of PurpN/Mn@PEG NPs

研究人员通过一步法配位驱动自组装合成了PurpN/Mn@PEG NPs。表征结果显示，成功获得了单分散、中空的纳米球，平均直径约为126.7 nm，壳厚度约为20.9 nm。XPS等分析证实了Mn²⁺的成功配位。分子动力学模拟揭示了纳米颗粒自组装的主要驱动力为氢键、π-π堆积和金属配位作用。

PurpN/Mn@PEG nanoparticles exhibit dual responsiveness to both acidic pH and GSH

研究证实，PurpN/Mn@PEG NPs在正常生理条件（pH 7.4）下稳定，但在模拟肿瘤微环境的酸性（pH 5.5）和高谷胱甘肽（GSH）条件下能快速降解，实现PurpN和Mn²⁺的靶向释放。同时，该纳米颗粒还能消耗GSH，并产生H₂O₂，进而通过芬顿样反应催化生成高毒性的羟基自由基（·OH），放大ROS应激。

ROS-amplifying of PurpN/Mn@PEG for antitumor effect

体外细胞实验表明，PurpN/Mn@PEG能被B16-F10细胞有效摄取，并表现出显著的浓度依赖性细胞毒性，其效果远优于游离的PurpN或Mn²⁺。它能诱导强烈的细胞内ROS爆发，导致线粒体膜电位下降，进而抑制细胞增殖并促进凋亡，显示出优异的直接抗癌效果。

Immune-Activating Efficacy of PurpN/Mn@PEG NPs In Vitro

研究进一步揭示了其免疫激活机制。PurpN/Mn@PEG处理能诱导肿瘤细胞发生免疫原性细胞死亡（Immunogenic Cell Death, ICD），表现为高迁移率族蛋白B1（HMGB1）和钙网蛋白（CRT）的暴露以及ATP的释放。同时，释放的Mn²⁺有效激活了cGAS-STING通路，导致STING和TBK的磷酸化水平显著升高，并促进I型干扰素（IFN-β）及其刺激基因（如Cxcl10, Isg15）的表达。这些作用共同促进了树突状细胞（Dendritic Cells, DCs）的成熟。

Potential antitumor mechanism of PurpN/Mn@PEG NPs

转录组学分析发现，PurpN/Mn@PEG处理引起了大量差异表达基因，KEGG富集分析显示这些基因显著富集于谷胱甘肽代谢和TNF信号通路等。机制探索表明，PurpN能够上调转录因子CEBPB的表达，进而促进TNF-α的分泌。这提示PurpN/Mn@PEG通过协同调控ROS风暴、cGAS-STING通路和TNF-α信号，共同激活抗肿瘤免疫。

In Vivo Anticancer Efficacy

在B16-F10荷瘤小鼠模型中，PurpN/Mn@PEG治疗显示出强大的抗肿瘤效果，肿瘤生长抑制率高达87.8%，且对小鼠体重和主要器官未观察到明显毒性，表明其良好的生物安全性。肿瘤组织分析显示明显的细胞坏死、增殖抑制（Ki-67表达下降）和凋亡增加（TUNEL阳性信号增强）。

In vivo evaluation of antitumor immune responses

体内免疫反应评估证实，PurpN/Mn@PEG治疗能显著促进脾脏中树突状细胞（CD11c⁺CD80⁺CD86⁺）的成熟，并增加肿瘤内CD3⁺CD4⁺（辅助性T细胞）和CD3⁺CD8⁺（效应性T细胞）的浸润。同时，血清中TNF-α和IL-6等促炎细胞因子水平也显著升高，表明其成功激活了系统性的抗肿瘤免疫应答。

综上所述，本研究成功开发了一种新型的可降解紫草素基金属免疫刺激剂PurpN/Mn@PEG。该纳米颗粒能够智能响应肿瘤微环境，特异性释放PurpN和Mn²⁺，通过三重协同机制增强黑色素瘤免疫治疗：1) 通过PurpN的酚羟基氧化持续产生H₂O₂，并与Mn²⁺协同催化产生ROS风暴，直接杀伤肿瘤细胞并诱导ICD；2) Mn²⁺有效激活cGAS-STING通路，启动先天免疫应答；3) PurpN上调CEBPB进而增强TNF-α分泌，进一步调节免疫微环境。这些机制共同作用，成功将免疫抑制性的“冷”肿瘤转化为免疫活化的“热”肿瘤，显著抑制了肿瘤生长。该研究不仅为黑色素瘤的免疫治疗提供了一种具有高转化潜力的新策略，也展示了金属免疫疗法在调控肿瘤微环境方面的巨大应用前景。