通过协同破坏物理屏障和重编程细胞内稳态，利用超声技术精准摧毁癌干细胞微环境

《Biomaterials》：Ultrasound-Orchestrated Collapse of Cancer Stem Cell Niches through Synergistic Physical Barrier Disruption and Intracellular Homeostasis Reprogramming

超声介导纳米平台通过破坏物理屏障和干扰细胞内稳态精准调控癌症干细胞，有效抑制其存活增殖及肿瘤复发转移，为克服耐药提供新方法。

　　

朱玉桐|邓曦|戴子登|宁明亮|苗润杰|陈航荣

中国科学院上海陶瓷研究所高性能陶瓷国家重点实验室，中国上海200050

摘要

癌症干细胞（CSCs）是异质性肿瘤中的一个关键亚群，它们在很大程度上导致了治疗抵抗、复发和转移。本文报道了一种基于声响应核壳纳米平台（MTCA）的超声介导策略，该策略能够同时破坏物理屏障并重新编程细胞内稳态，从而精确地调节和消灭CSCs。MTCA经过工程改造并表面修饰了碳酸酐酶IX（CAIX）抑制剂，以实现选择性靶向过度表达CAIX的CSCs并扰乱其pH稳态。铜-二氧化钛外壳在超声激活下会消耗细胞内谷胱甘肽并增强活性氧的生成，从而克服CSC相关的抗氧化防御机制。同时，超声诱导的机械效应会暂时破坏细胞外完整性，显著提高纳米平台对富含CSC的肿瘤区域的渗透能力。这种协同方法有效地下调了与干细胞特性相关的基因表达，并抑制了富含CSC的3D肿瘤球体的存活能力，同时在体内肿瘤模型中也抑制了肿瘤生长和转移。总体而言，本研究建立了一种利用超声实现CSC微环境物理和生化协同调节的范式，为克服CSC驱动的治疗抵抗提供了有前景的策略。

引言

恶性肿瘤的治疗长期以来一直受到一些基本挑战的制约，包括药物抵抗、复发和转移。问题的核心不在于个别治疗剂或靶点的失败，而在于肿瘤在治疗压力下表现出的显著适应性和可塑性。越来越多的证据表明，这种适应性的起源并非随机，而是源于肿瘤的层次化组织结构，其中癌症干细胞（CSCs）作为“功能中心”，在肿瘤的发生、进展和复发中起着不可替代和决定性的作用[1]、[2]、[3]。CSCs具有自我更新、多向分化潜能和高可塑性，不仅推动肿瘤的持续生长，还能在治疗后存活并重建肿瘤微环境[4]、[5]、[6]、[7]。因此，如何有效识别、靶向和消灭CSCs成为实现长期肿瘤控制的核心科学问题。

值得注意的是，CSCs的治疗抵抗并非源自单一机制，而是依赖于高度协调的防御系统。在宏观层面上，CSCs主要存在于肿瘤深处、缺氧且纤维化的区域，这些区域远离肿瘤血管。围绕CSCs的致密细胞外基质（ECM）物理上阻止了纳米颗粒、药物或免疫因子的渗透，从而使CSCs在空间上“不可见”。此外，由于ECM致密，肿瘤基质的硬度与肿瘤发生和转移有关[6]、[7]、[8]、[9]，从而导致治疗失败。在微观层面上，CSCs通过重塑细胞内稳态建立了高度稳定的生化防御机制。一方面，CSCs通过高表达跨膜酶碳酸酐酶IX（CAIX）在缺氧的肿瘤微环境中主动构建了异常的细胞内外pH梯度[10]，为CSC的增殖和干性维持提供了有利的细胞内碱性条件[11]、[12]、[13]。另一方面，CSCs增强的抗氧化防御网络，包括细胞内谷胱甘肽和硫氧还蛋白含量的增加，显著将细胞内活性氧（ROS）维持在极低水平，从而增强了它们对放射治疗、化疗和ROS依赖性治疗的耐受性[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。

尽管目前出现了多种针对CSCs的治疗策略，但目前的研究大多集中在递送分化诱导剂（例如全反式维甲酸）[20]、[21]或信号通路（例如Wnt、Notch或Hedgehog）抑制剂[22]、[23]来调节干细胞特性和破坏特定功能。然而，这些策略往往忽略了由ECM形成的空间屏障，也难以同时扰乱CSCs的pH和氧化还原稳态[24]，导致治疗效果有限。因此，同时破坏CSCs的物理和生化防御机制已成为亟需解决的关键瓶颈。

本文提出了一种新的多模式治疗范式，通过整合物理屏障破坏、CSC靶向和稳态干扰来系统性地瓦解CSCs的防御系统（图1）。首先，超声作为一种非侵入性和定向的外部刺激，通过声空化效应可控地引起机械扰动，暂时提高肿瘤组织的通透性，打开CSCs的通道，而不会对正常组织造成不可逆的损伤[25]。其次，设计了一种新型的声响应纳米平台（MTCA），其表面修饰了CAIX抑制剂（ABS），以实现精确导航至CSCs并干扰其微环境内的稳态。此外，NP的Cu-Ti二氧化钛外层不仅具有强大的声动力效应，还能消耗细胞内谷胱甘肽，协同破坏抗氧化防御，使CSCs从“耐ROS状态”转变为“氧化还原敏感状态”，从而实现ROS介导的CSC消除效应的级联放大。

简而言之，本研究旨在利用超声介导的机械效应克服物理屏障，从而提高递送效率并实现精确干预，在分子水平上对CSCs造成不可逆的损伤并降低其干性。这种超声介导的策略在体外 3D肿瘤球体和体内携带肿瘤的小鼠模型中显示出优异的肿瘤深部穿透、CSC消除和抗肿瘤生成能力，不仅为克服CSC介导的治疗耐受性提供了系统解决方案，也为难治性实体瘤的治疗提供了重要的理论和实践参考。

MTCA的制备与表征

MTCA纳米颗粒的制备遵循图1A所示的合成路线。中间产物（MSN、MT、MTC）和最终产物（MTCA）的形态分别展示在图S1中。选择介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）作为内核，以促进TiO₂在外层的稳定生长。MT和MTC之间没有明显的形态变化，值得注意的是，根据透射电子显微镜观察，MTCA的对比度略有增加

结论

CSCs主要存在于肿瘤深处，远离肿瘤血管，并被致密的ECM屏蔽，这阻碍了纳米材料的精确定位。此外，CSC微环境呈酸性且缺氧，这与生物标志物的过度表达、干性特征和治疗抵抗相关。为了提高抗CSC效果，本研究提出了一种利用声敏感性和CSC靶向性的MTCA纳米颗粒的超声介导策略，以增强肿瘤渗透性和CSCs的清除效果

材料与试剂

四丁基钛酸酯购自上海Macklin生化科技有限公司；乙基正硅酸盐、4-（2-氨基乙基）苯磺酰胺购自上海Aladdin生化科技有限公司；N-羟基琥珀酰亚胺和1-乙基-3-[3-二甲基氨基丙基]碳二亚胺盐酸盐购自上海Leon化学科技有限公司；DSPE-PEG2k-COOH购自Ponsure Biotech；CuCl₂·2H₂O购自国药化学试剂有限公司。

作者贡献声明

邓曦：方法学、数据分析、数据管理。朱玉桐：撰写初稿、数据分析、概念构思。宁明亮：方法学、数据分析。戴子登：方法学、数据分析。陈航荣：撰写、审稿与编辑、项目资助。苗润杰：方法学、数据分析

注释

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（批准号：32030061、32201174）和上海国际合作项目（批准号：23490712900）的支持。所有动物实验均获得了同济大学实验动物中心的批准，动物生物医学研究授权号为TJLAC-020-228。