《Biomaterials》：Harnessing biomimetic nano-regulators for in situ photothermia and lactate regulation to amplify cuproptosis immunotherapy
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本工作开发了一种基于巨噬细胞-肿瘤细胞膜杂交的铜基纳米平台SCTDM，通过原位光热治疗和乳酸代谢调控协同增强铜介导的免疫原性细胞死亡，抑制肿瘤生长并改善免疫抑制微环境。
Xin Meng|Yumei Gan|Weiting Sun|Wen Li|Pengyu Huang|Dunwan Zhu|Lin Mei|Yan Zhang|Xia Dong|Feng Lv
国家先进医疗材料与器件重点实验室，天津生物医学材料重点实验室，癌症免疫治疗生物材料与纳米技术重点实验室，中国医学科学院天津卫生科学研究院生物医学工程研究所，北京协和医学院，天津，300192，中国
摘要
铜死亡（Cuproptosis）为癌症免疫治疗提供了一个有前景的途径，但其效果受到难以实现靶向线粒体铜离子积累和上调细胞对线粒体呼吸依赖性的限制。为了解决这个问题，我们开发了一种基于铜的仿生纳米平台（SCTDM），该平台涂有巨噬细胞-肿瘤细胞混合膜（HM），并共载有乳酸调节剂Syrosingopine（Su3118）和铜离子载体双硫仑（DSF）。SCTDM结合了主动肿瘤靶向、原位光热疗法（PTT）和乳酸代谢调节，协同增强了铜死亡和抗肿瘤免疫。SCTDM释放铜离子和DSF，以促进线粒体铜离子的输送并诱导免疫原性细胞死亡（ICD）。在高硫化氢（H2S）的肿瘤微环境（TME）中，铜离子进一步形成光热铜硫化物复合物，从而增强PTT的效果和活性氧（ROS）的生成，进而增强铜死亡。值得注意的是，释放的Su3118选择性地抑制单羧酸转运蛋白（MCT1/4），抑制乳酸外流，同时通过破坏糖酵解和恢复线粒体呼吸来增强细胞对铜死亡的敏感性。总体而言，PTT和乳酸代谢调节的协同作用增强了铜死亡诱导的免疫原性细胞死亡。这种级联效应最终重新编程了免疫抑制的肿瘤微环境，并增强了抗肿瘤免疫，以根除原发肿瘤并防止复发。
引言
铜死亡的发现最近揭示了铜离子与细胞能量代谢通过线粒体途径在癌症治疗中的关系[1]，[2]。过量积累的铜离子可以直接与脂酰化蛋白结合，从而干扰三羧酸（TCA）循环过程，最终诱导程序性免疫原性细胞死亡（ICD）[3]，[4]。先前的研究探讨了铜死亡与免疫治疗之间的联系，并报告说释放的损伤相关分子模式（DAMPs）能够引发强大的免疫反应，用于癌症免疫治疗[5]，[6]，[7]。然而，铜死亡触发免疫反应的障碍在于铜离子在细胞内的选择性积累、细胞对铜死亡的敏感性以及强大免疫反应的增强。结直肠癌（CRC）的异质性表明不同分子亚型对铜死亡的敏感性不同，这表明针对铜的治疗对特定患者亚组具有特殊前景[8]，[9]。值得注意的是，CRC中内源性H2S（0.3–3.4 mM）的独特高表达可以与输送的铜离子形成铜硫化物复合物（CuxSy），在肿瘤区域产生原位光热效应，有助于增强铜死亡免疫治疗[10]，[11]，[12]。因此，高效地将铜离子输送到肿瘤中是触发原位光热和铜死亡强化治疗的关键。
提高细胞对铜死亡的敏感性有望增强其免疫治疗潜力。然而，这种策略本质上依赖于铜死亡所针对的线粒体呼吸途径。一些恶性细胞通过代谢重编程为有氧糖酵解来规避这一致命过程，从而产生抗性机制[13]，[14]。这种转变使它们能够绕过线粒体TCA循环，从而失去对铜死亡的敏感性[15]，[16]。因此，抑制糖酵解可能是一种潜在的治疗策略，以迫使代谢回归TCA循环并恢复对铜死亡的敏感性。乳酸是糖酵解过程中最重要的代谢产物，限制乳酸的转运将是干扰糖酵解的有效治疗手段[17]，[18]。通过抑制MCT1/4活性来限制乳酸外流可以降低细胞内的乳酸浓度[19]，[20]。作为线粒体底物，乳酸刺激线粒体电子传递链的活性并增强三磷酸腺苷（ATP）的合成，从而抑制糖酵解并将代谢流导向丙酮酸和其他呼吸底物[21]，[22]。此外，抑制乳酸外流可以减少TME的酸化并抑制免疫抑制，激活抗肿瘤免疫反应[23]，[24]。因此，乳酸调节与铜死亡相结合将是一种协同的治疗方法，以增强铜死亡的敏感性和放大免疫反应[25]。
为了实现乳酸调节和铜死亡的协同诱导，将治疗剂和铜离子精确地输送到肿瘤组织中是至关重要的。基于铜的纳米材料是肿瘤内铜离子输送系统的首选[26]，[27]。由于高铜离子负载能力、易于药物装载、精确的药物输送和简单的制备过程，单宁酸（TA）-金属复合物一直受到积极研究[28]，[29]。单宁酸可以螯合多价金属离子如Cu2+，形成pH敏感的疏水性金属-单宁酸复合物[30]。这些复合物在酸性条件下持续溶解，从而实现所需的控释行为。此外，铜离子载体如双硫仑可以加速铜离子的细胞内转移效率[31]。因此，单宁酸-金属复合物可以同时输送乳酸调节药物和铜离子载体，以增强铜死亡的敏感性。然而，单宁酸-金属纳米输送系统的靶向效果不足将限制其治疗效果。细胞膜伪装已成为一种有前景的仿生平台构建策略，用于主动靶向输送[32]，[33]，[34]。单宁酸可以与细胞膜上的蛋白质相互作用，促进膜伪装仿生纳米平台的制备。凭借这些优点，可以制造出一种仿生纳米调节剂，巧妙地整合肿瘤靶向、乳酸调节、铜死亡和PTT，以提高抗肿瘤效果。
在这项研究中，设计了一种基于铜的仿生纳米平台SCTDM，该平台装载了乳酸调节剂Syrosingopine（Su3118）和铜离子载体双硫仑（DSF），以实现多种功能，如肿瘤靶向、原位PTT、乳酸调节和增强铜死亡（图1）。巨噬细胞和CT26细胞混合膜（HM）由于巨噬细胞的肿瘤趋向性和对母体癌细胞的特异性亲和力，具有出色的生物相容性和同源靶向效果。通过pH响应的TME触发药物释放，铜离子通过DSF转运到线粒体中以诱导铜死亡。在高细胞H2S的作用下，铜硫化物复合物的生成通过激光照射增强了PTT，提高了活性氧（ROS）水平，从而增强了铜死亡[35]。此外，释放的Su3118通过抑制MCT1/4活性可以限制乳酸外流，提高细胞内的乳酸水平，从而逆转糖酵解并生成丙酮酸。过量积累的丙酮酸进入TCA循环，恢复线粒体呼吸，增强了铜死亡的敏感性。此外，这种协同的PTT和乳酸调节增强的铜死亡导致ICD释放DAMPs。这一过程随后激活了免疫反应，表现为树突状细胞（DC）成熟、T细胞浸润增加和调节性T细胞（Tregs）的抑制，从而缓解了免疫抑制的肿瘤微环境并增强了抗肿瘤免疫治疗。它提供了一种结合了原位光热和乳酸调节的简便仿生纳米调节剂，以增强铜死亡免疫治疗，消除原发肿瘤并延缓复发。
部分摘录
SCTDM的制备
SCTDM纳米平台的制备方法如下：首先，在25毫升圆底烧瓶中，将Su3118溶液（2毫克/毫升，200微升）、单宁酸溶液（50毫克/毫升，80微升）和去离子水（2毫升）混合，在搅拌下反应10分钟。使用NaOH（0.1摩尔/升）将pH调整至7.0。然后加入CuCl2溶液（10毫克/毫升，40微升），继续搅拌15分钟，形成装载Su3118的单宁酸-Cu纳米颗粒（SCT）。接着加入DSF溶液（0.1毫克/毫升，100微升），继续搅拌以形成Su3118
仿生纳米颗粒SCTDM的制备和表征
与单一来源的细胞膜相比，混合细胞膜整合了来自多种细胞类型的功能和生物特性，为先进的药物输送应用提供了一个多功能平台[37]。在这项研究中，使用巨噬细胞-肿瘤细胞混合膜（HM）来功能化纳米颗粒的表面，赋予其复杂的生物功能，包括延长的系统循环、免疫逃逸和同源肿瘤靶向
结论
在这项研究中，制备了一种仿生纳米调节剂SCTDM，用于原位PTT-乳酸调节增强的铜死亡，以增强抗肿瘤免疫，抑制肿瘤增殖和复发。巨噬细胞和癌细胞混合膜伪装的纳米调节剂SCTDM具有出色的生物相容性和同源靶向性，能够实现铜离子在肿瘤和线粒体内的过度积累。
CRediT作者贡献声明
Weiting Sun：研究，数据分析。Lin Mei：资源获取，项目管理。Dunwan Zhu：资源获取，项目管理。Pengyu Huang：资源获取，资金筹集。Wen Li：软件，资源获取，资金筹集。Feng Lv：写作——审稿与编辑，监督，项目管理，资金筹集，概念构思。Xia Dong：写作——审稿与编辑，监督，资金筹集，数据分析，概念构思。Yan Zhang：写作——审稿与编辑，
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（32371391）、天津市自然科学基金（25JCZDJC00470, 23JCYBJC00430, 23JCYBJC00270, 25ZXZSSS00290）以及CAMS医学科学创新基金（2023-I2M-2-008, 2024-I2M-TS-027）的支持。
