超微纳米声催化剂诱导细胞凋亡以抑制卵巢癌：从患者来源的类器官到体内模型

《Biomaterials》：Ultrasmall Nanosonocatalyst Induces PANoptosis to Suppress Ovarian Cancer: From Patient-Derived Organoids to In Vivo Models

夏凌芳|陈月媛|段彦秋|黄伟|杨志远|王梦菲|徐梦|陈子琪|陈宇|李晓奇|黄燕

中国上海复旦大学上海癌症中心妇科肿瘤科

摘要

卵巢癌是最致命的妇科恶性肿瘤之一，其复发率高且预后极差。现有的靶向治疗存在适用范围有限、效果不佳以及成本高昂等问题，因此亟需新的治疗手段。越来越多的研究表明，引发细胞内活性氧大量产生，可选择性破坏氧化平衡失调的肿瘤细胞并使其死亡，而几乎不会影响正常细胞。在本研究中，我们设计了镧掺杂硫化锌（ZnS:La）纳米晶体作为高效的声催化剂，用以增强卵巢癌的声动力治疗效果。在超声作用下，ZnS:La能实现更好的电荷分离，并显著增加活性氧的产生，从而对癌细胞造成严重的氧化损伤。同时，La³⁺离子的缓慢释放会破坏溶酶体膜，增加细胞对氧化应激的敏感性。这些作用共同促进了PANoptosome的形成，进而引发PANoptosis——一种结合了凋亡、焦亡和坏死性凋亡的协同性程序性细胞死亡方式。通过使用患者来源的类器官、皮下移植模型以及原位卵巢肿瘤模型进行评估，超声激活的ZnS:La能够有效抑制肿瘤的生长和扩散。本研究提出了一种基于高效声催化剂的策略，可通过多种程序性细胞死亡机制来治疗卵巢癌，为该疾病的治疗提供了新的方向。

引言

卵巢癌仍是女性癌症相关死亡的主要原因，2022年全球新增病例超过31万例，死亡病例达21万例[1]。以铂类为基础的联合化疗仍是标准治疗方案，但仍有近70%的患者在3-5年内出现复发，总体5年生存率仅为约30%[2, 3]。尽管贝伐单抗或PARP抑制剂等靶向疗法在一定程度上提高了某些亚组患者的无进展生存期，但由于适应症范围狭窄且成本高昂，其临床疗效仍有限[4]。复发和腹膜转移是导致卵巢癌预后不良的主要因素，这凸显出迫切需要能够清除残留及扩散肿瘤细胞的替代治疗策略[5]。

活性氧是一类寿命短暂但生物学意义重大的分子，其生成失衡与癌症的发生和发展密切相关[6]。因此，针对活性氧的调控成为一种极具前景的抗癌策略[7]。活性氧的产生与清除之间的氧化还原平衡会显著影响肿瘤细胞的存活情况以及其对治疗的反应程度[8]。具体而言，过度积累的活性氧会引发严重的氧化应激，而处于内在氧化应激状态下的癌细胞对此尤为敏感，这使得活性氧能够实现选择性细胞毒性作用[9]。当活性氧积累超过细胞毒性阈值时，核酸、线粒体及细胞膜都会遭受不可逆的损伤，最终引发PANoptosis——这是一种整合了凋亡、焦亡和坏死性凋亡的协同性程序性细胞死亡方式[10, 11, 12]。

PANoptosis这一概念最早于2019年被提出，它由多蛋白构成的PANoptosome复合物调控，其特征是凋亡、焦亡和坏死性凋亡同时被激活[13]。通过同时启动多种死亡途径，PANoptosis能够规避单一模式程序性细胞死亡的局限性，降低肿瘤产生耐药性的可能性[14]。此外，焦亡和坏死性凋亡所涉及的炎症反应还有助于对抗肿瘤引起的免疫抑制，进而促进全身性的抗肿瘤免疫反应[15]。这些途径之间的协同作用会进一步加剧细胞损伤，有助于消除原发肿瘤、转移灶以及循环中的肿瘤细胞[16, 17]。在外源性诱导活性氧的作用下，多种癌症模型中均能显著引发PANoptosis，这体现了该策略的巨大治疗潜力。

声动力疗法是一种非侵入性治疗手段，它利用超声波激活声敏剂产生活性氧，具有深入组织内部以及精准控制治疗时间和空间的优势[18, 19, 20]。在本研究中，我们设计了镧掺杂硫化锌纳米晶体作为高效的声敏剂，用于在卵巢癌中引发活性氧介导的PANoptosis。选择镧作为掺杂元素主要有两个原因。从电子结构上看，La³⁺拥有空的4f⁰轨道，这使得它能够高效地捕获电子，且不会像其他镧系元素（如铈、欧铱、钆）那样因f轨道间的能量跃迁而造成能量损失，从而更有效地抑制电子-空穴复合，提升声催化产生的活性氧水平[21, 22, 23]。从生物学功能上看，镧离子从纳米晶体晶格中释放出来后会破坏溶酶体膜的完整性，而这种效应在镧系化合物中已有诸多报道，这类化合物能够使细胞更容易受到氧化应激的影响[24, 25]。这种双重功能的设计使得镧成为我们治疗平台中的理想掺杂元素。在超声作用下，由于镧的引入使得电荷分离和能带间隙发生改变，ZnS:La的活性氧生成效率明显高于未掺杂的ZnS。此外，释放出的镧离子还会破坏溶酶体膜，进一步加剧细胞的应激反应。活性氧过量与溶酶体稳定性下降的协同作用促进了PANoptosome的组装，进而使得卵巢癌类器官中的凋亡、焦亡和坏死性凋亡同时被激活。我们通过卵巢癌类器官、患者来源的异种移植皮下肿瘤模型以及原位患者来源类器官模型，系统研究了超声激活的ZnS:La的治疗效果及其作用机制。包括RNA测序、透射电子显微镜观察以及免疫荧光染色在内的多模态分析结果均表明，该疗法能够激活与PANoptosis相关的信号通路，同时抑制肿瘤的生长和转移。这些研究结果充分体现了镧掺杂半导体作为高效声敏剂，在通过活性氧诱导PANoptosis来治疗卵巢癌方面的巨大潜力（见图1）。

章节节选

ZnS:La的设计、合成与表征

我们通过透射电子显微镜观察了合成产物的形态特征。如图2A所示，镧掺杂的ZnS（ZnS:La）样品呈现出由近似球形的初级颗粒组成的松散结构，说明其具有自聚集的特性。能量色散X射线光谱分析（图2C）证实了锌、硫和镧元素已成功掺入该材料中，且未检测到任何杂质。此外，元素分布图（图2

体外与体内实验：ZnS:La对卵巢癌的抗肿瘤作用

为了全面评估ZnS:La在卵巢癌中的抗肿瘤活性，我们采用了结合细胞模型、患者来源类器官以及患者来源异种移植模型的双重验证策略[26]。我们选用典型的高级别浆液性卵巢癌组织来构建相应的患者来源类器官和异种移植模型（图4A）。相较于传统的细胞系和小鼠模型，这些模型能够更准确地模拟肿瘤的生物学特性，从而弥补传统模型的不足

结论

综上所述，本研究开发出一种新型的镧掺杂ZnS纳米声催化剂，它可作为强大的PANoptosis诱导剂用于卵巢癌的治疗。在超声作用下，该纳米声催化剂在肿瘤微环境中表现出更强的声催化活性，从而使活性氧的积累量超过细胞毒性阈值。这种活性氧的大量产生会促使PANoptosome复合物的形成，进而协同激活凋亡、坏死性凋亡等多种死亡途径

实验部分

有关本研究中所用实验方法的详细说明，请参阅补充信息部分。

CRediT作者贡献说明

徐梦：数据整理、概念设计。王梦菲：定量分析、数据整理。陈子琪：软件分析、定量分析。李晓奇：文章撰写与修改、研究指导、实验设计、概念设计。陈宇：文章初稿撰写、资金筹集、数据整理、概念设计。夏凌芳：文章初稿撰写、资金筹集。黄燕：文章撰写与修改、资源协调、项目管理、定量分析、概念设计。段彦秋：文章撰写——

利益冲突声明

作者们声明不存在任何可能影响本研究结果的利益冲突。

数据可用性声明

本研究的相关数据可在合理请求下从通讯作者处获取。

利益冲突声明

? 作者们声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢：

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：82573032）以及上海市自然科学基金（项目编号：25ZR1401064）的资助。目录图表是由BioRender.com协助制作的。