長期以來，人們通過手術(shù)、化療、放療和靶向藥物等策略來治療腫瘤，主要聚焦于腫瘤細胞的直接殺傷，不可避免地帶來腫瘤耐藥和治療副作用等問題。近年來，通過免疫檢查點抑制劑和嵌合抗原受體 T（CAR-T)細胞治療等免疫療法調(diào)動免疫系統(tǒng)，來識別和消除腫瘤細胞，展現(xiàn)出改變惡性腫瘤治療格局的潛力。免疫治療中的免疫檢查激動劑通過增強免疫細胞的活性，激活免疫系統(tǒng)發(fā)揮抗腫瘤作用。目前，針對GITR、OX40和STING等通路的免疫激動劑正在臨床試驗階段。而目前已有免疫激動劑存在免疫系統(tǒng)過度激活、不同患者個體化差異大、精準(zhǔn)治療藥物開發(fā)難度高等問題，導(dǎo)致臨床受益患者的比例仍然較低。代謝異常是腫瘤發(fā)生和發(fā)展的普遍且關(guān)鍵特征。目前，一些抗腫瘤代謝藥物通過調(diào)控腫瘤異常代謝通路，能夠一定程度抑制腫瘤生長。然而，現(xiàn)有代謝治療藥物存在體內(nèi)半衰期短、脫靶效應(yīng)明顯和容易干擾正常細胞代謝等問題。
近日，上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心凌代舜教授團隊和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院李方園教授團隊合作，在《Nature Nanotechnology》發(fā)表題為“An artificial metabzyme for tumour-cell-specific metabolic therapy”的研究論文。該研究首次聚焦腫瘤廣譜代謝標(biāo)志物作為代謝免疫檢查點，提出全新的腫瘤代謝激活免疫治療策略；團隊創(chuàng)新合成了一種模擬黃嘌呤氧化酶（xanthine oxidoreductase，XOR）中鐵和四面體鉬原子構(gòu)象的的FeMoO4生命體系催化劑，稱為“人工代謝酶”。
該人工代謝酶能夠催化腫瘤細胞內(nèi)黃嘌呤轉(zhuǎn)化為尿酸；尿酸分子作為新的“定位和激活信號”，實現(xiàn)激活免疫系統(tǒng)的功能，誘導(dǎo)其附近的巨噬細胞向M1表型極化，使其特異性識別并吞噬腫瘤細胞，從而精準(zhǔn)地實現(xiàn)腫瘤特異性的代謝激活免疫治療（圖1）。有趣的是，這種代謝調(diào)節(jié)促進了腫瘤細胞間代謝與免疫系統(tǒng)的相互作用，從而引發(fā)免疫細胞對腫瘤細胞的協(xié)同攻擊——這是一種化學(xué)生物學(xué)驅(qū)動腫瘤細胞特異性代謝激活免疫治療的范式創(chuàng)新。該人工代謝酶展示了在生命體系代謝畫布上靶向改造腫瘤細胞的潛力，將腫瘤細胞自己定位為一個燃燒的“火花”來刺激免疫系統(tǒng)的定點激活。
圖1. FeMoO4人工代謝酶用于腫瘤細胞特異性代謝激活免疫治療。
為了仿生模擬XOR中Mo和Fe輔因子結(jié)構(gòu)，作者發(fā)展了一種“溶蝕-吸附-錨定”單原子界面工程技術(shù)，基于MoO3-x基質(zhì)實現(xiàn)Fe單原子可控摻雜，F(xiàn)e原子摻雜比例可高達20.72 wt%。通過控制Fe原子摻雜過程中的晶格重構(gòu)，作者成功構(gòu)建了具備類XOR金屬原子催化構(gòu)象（Fe2+和四面體Mo4+活性中心）和催化活性（黃嘌呤→尿酸）的FeMoO4人工代謝酶（圖2）。
圖2. FeMoO4人工代謝酶的設(shè)計與構(gòu)建。
作者通過透射電鏡、元素分析、球差電鏡和同步輻射等手段，證實了Fe以單原子形式均勻分布在FeMoO4人工代謝酶結(jié)構(gòu)中。研究還發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eMoO4人工代謝酶中Fe和Mo元素價態(tài)分別為Fe2+/Fe3+和Mo4+/Mo5+/Mo6+；此外，F(xiàn)e的摻雜顯著提高了Fe-O-Mo的電子轉(zhuǎn)移效率，為在生命體系高效催化腫瘤細胞代謝產(chǎn)物黃嘌呤奠定了理化結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（圖3）。
圖3. FeMoO4人工代謝酶的理化性質(zhì)分析。
作者通過密度泛函理論（DFT）計算發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eMoO4人工代謝酶通過與氫氧根反應(yīng)形成OH–Mo–O–Fe復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合物有助于黃嘌呤的質(zhì)子轉(zhuǎn)移，從而降低反應(yīng)能壘，提高尿酸的產(chǎn)生效率。此外，F(xiàn)e原子摻雜引起的MoO3–x晶格重排，顯著提高了FeMoO4人工代謝酶對黃嘌呤底物的吸附能力和表面電子活性，這在黃嘌呤轉(zhuǎn)化為尿酸的催化過程中起到了關(guān)鍵作用（圖4）。
圖4. XOR類酶催化活性機制研究。
作者在細胞和動物層面探究了FeMoO4人工代謝酶的代謝調(diào)控性能。FeMoO4人工代謝酶在入胞后不會直接殺傷腫瘤細胞，僅僅是將腫瘤細胞內(nèi)黃嘌呤催化為尿酸。而尿酸分子作為“定位和激活信號”誘導(dǎo)鄰近的巨噬細胞向M1表型極化，并激活NLRP3/IL-1β通路，從而使巨噬細胞能夠識別并吞噬“被定位”的腫瘤細胞。作者進一步構(gòu)建了B16F10荷瘤小鼠模型，并發(fā)現(xiàn)腫瘤組織中黃嘌呤含量顯著高于正常組織，這為FeMoO4人工代謝酶的腫瘤選擇性代謝調(diào)控奠定了生物學(xué)基礎(chǔ)。通過空間代謝組學(xué)等技術(shù)，作者證實了經(jīng)靜脈注射FeMoO4人工代謝酶后，腫瘤組織中尿酸水平顯著升高，且這一變化與FeMoO4人工代謝酶在腫瘤組織中的時空分布高度一致（圖5）。
圖5. FeMoO4人工代謝酶活體代謝調(diào)控研究。
更令人振奮的是，F(xiàn)eMoO4人工代謝酶能夠有效抑制B16F10腫瘤的生長。通過流式細胞術(shù)和質(zhì)譜流式分析等技術(shù)，作者發(fā)現(xiàn)FeMoO4人工代謝酶顯著提高了腫瘤組織中M1型巨噬細胞、CD8+ T細胞、CD4+ T細胞和成熟樹突狀細胞（DCs）的比例，同時上調(diào)了IL-1β、TNF-α和IL-12等促炎細胞因子的水平。根據(jù)上述結(jié)果，作者得出結(jié)論：尿酸分子作為“定位和激活信號”介導(dǎo)腫瘤細胞與免疫細胞的之間的相互作用：1）尿酸誘導(dǎo)鄰近的巨噬細胞向M1表型極化，并激活NLRP3/IL-1β通路，從而使巨噬細胞能夠識別并吞噬“被定位”的腫瘤細胞；2）尿酸和促炎細胞因子IL-1β能夠增強DCs和T細胞等免疫細胞活性，從而特異性激發(fā)抗腫瘤免疫應(yīng)答。此外，F(xiàn)eMoO4人工代謝酶與PD-1單抗聯(lián)用能夠更有效地抑制腫瘤生長，并延長小鼠的生存期（圖6）。
圖6. FeMoO4人工代謝酶介導(dǎo)腫瘤特異性代謝激活免疫治療。
這項研究聚焦天然代謝酶人工模擬和腫瘤-免疫細胞互作調(diào)控，合成特定調(diào)控代謝通路和代謝產(chǎn)物的人工代謝酶，提出一種新型代謝免疫檢查激動策略，為代謝異常相關(guān)重大疾?。ò[瘤、心血管疾病、痛風(fēng)、糖尿病等）提供基于人工代謝酶的全新代謝免疫調(diào)控策略，開創(chuàng)化學(xué)生物學(xué)驅(qū)動的精準(zhǔn)代謝治療新范式。（來源上海交通大學(xué)）
返回搜狐，查看更多
