納米顆粒的設(shè)計(jì)、作用機(jī)制、體內(nèi)外療效及免疫調(diào)控

在腫瘤治療領(lǐng)域，如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效地誘導(dǎo)細(xì)胞死亡并激活免疫應(yīng)答一直是研究熱點(diǎn)。近日，Advanced Materials 發(fā)表的一項(xiàng)研究突破性地開發(fā)了超聲觸發(fā)型納米顆粒 (RC NPs)，首次將銅死亡 (Cuproptosis) 與聲動(dòng)力療法 (SDT) 巧妙結(jié)合，為胰腺癌等惡性腫瘤提供了兼具時(shí)空可控性與免疫激活效應(yīng)的新型治療策略……

本期，我們將從納米顆粒設(shè)計(jì)、作用機(jī)制、體內(nèi)外療效及免疫調(diào)控等維度展開深度解讀，揭示該研究如何通過跨學(xué)科創(chuàng)新為侵襲性腫瘤治療帶來新希望！

Section.01
超聲觸發(fā)型納米顆粒 (RC NPs)

近期，中國科學(xué)家開發(fā)的超聲觸發(fā)型納米顆粒 (RC NPs) 于 Advanced Materials 亮相^[1]。在文章課題組的操作下，RC NPs 仿佛植入癌細(xì)胞的“木馬病毒”，只等一“聲”令下，就將癌細(xì)胞各個(gè)擊破。

RC NPs 由可降解的聲敏聚合物 (Poly RA) 和可負(fù)載金屬離子的多酚結(jié)構(gòu)聚合物 (Poly MPN) 自組裝而成。

Tips:

• 聲敏外殼 (Poly RA): 即含釕配合物 (Ruthenium Complexes, RBB) 聲敏劑 (Em=534 nm)。超聲照射下，RBB 可產(chǎn)生活性氧 (ROS)，如 “納米爆破手”一樣破壞癌細(xì)胞膜。
• 銅離子彈匣 (Poly MPN): 這是一種帶有硫縮酮鍵“保險(xiǎn)”的金屬-多酚網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有 ROS 敏感性和金屬結(jié)合親和力，能有效鎖定 Cu²⁺。超聲和 ROS 導(dǎo)致硫縮酮鍵斷裂而釋放銅離子，損傷線粒體功能、誘導(dǎo)銅死亡。

 
RC NPs 可通過產(chǎn)生 ROS 和誘導(dǎo)銅死亡來殺死癌細(xì)胞。其搭載聲動(dòng)力療法 (SDT) 平臺(tái)，以獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：如更深的組織穿透力、卓越的組織選擇性、更高的安全性，具有廣闊適用前景。RC NPs 更針對(duì) “癌中之王” 胰腺癌，在多種動(dòng)物模型中都展現(xiàn)出驚人療效^[1]。 
 



圖 1. RC NPs 是由兩親性聚合物 Poly RA 和 Poly MPN 自組裝的可生物降解的納米載體^[1]。
A：RC NPs 組成示意圖。Poly RA 是可生物降解聚合物，含有 RBB 分子和硫縮酮鍵。一方面，這種結(jié)構(gòu)賦予 Poly RA 在聲動(dòng)力條件下產(chǎn)生 ROS (活性氧) 的特性。另一方面，ROS 的產(chǎn)生會(huì)破壞硫縮酮鍵，導(dǎo)致 Poly MPN 降解。而 Poly MPN 是用類似方法合成的具有 ROS 敏感特性且能夠與金屬結(jié)合的兩親性聚合物。B-D：RC NPs 的外觀及穩(wěn)定性。RC NP 進(jìn)入細(xì)胞促進(jìn)銅死亡，經(jīng) TEM 成像分析為均勻分布的球形結(jié)構(gòu) (B,C)。在含有或不含 10% 胎牛血清 (FBS) 的 PBS 中，RC NP 的粒徑在 14 天內(nèi)均未發(fā)生明顯變化，具有可觀的穩(wěn)定性 (D)。

想象一下，一群微型納米機(jī)器人在體內(nèi)游走。遇到腫瘤后，只需外界一聲‘超聲指令’，就能瞬間釋放銅離子和活性氧，精準(zhǔn)爆破癌細(xì)胞。

Section.02
RC NPs 對(duì)癌細(xì)胞的雙重絕殺

超聲波照射下，RC NPs 可快速降解 (~5 min)，在腫瘤局部釋放 Cu²⁺  和 ROS (使用 DPBF 作為 ¹O₂ 的特異性探針，超聲處理 2.5 min 后，~83% DPBF 已被氧化降解)。隨著脂�；�蛋白聚集和鐵硫簇蛋白耗竭，RC NPs 進(jìn)一步引起線粒體損傷與代謝通路瓦解，最后激活銅死亡^[1]。

RC NPs 還同步觸發(fā)免疫原性細(xì)胞死亡 (ICD)，激活系統(tǒng)性抗癌免疫反應(yīng)，包括損傷相關(guān)分子模式 (DAMPs) 的釋放與免疫細(xì)胞的活化。進(jìn)一步，RC NPs 激活系統(tǒng)性 T 細(xì)胞免疫與免疫抑制微環(huán)境重塑，增強(qiáng)效應(yīng) T 細(xì)胞 (CD8⁺ T 細(xì)胞) 浸潤，活化自然殺傷細(xì)胞，并抑制調(diào)節(jié)性 T 細(xì)胞 (Treg)^[1]。

殺手锏一：銅離子可控釋放與銅死亡誘導(dǎo)

首先，癌細(xì)胞內(nèi)化 RC NPs 后，胞內(nèi) ROS 水平和銅離子濃度顯著增加。蛋白質(zhì)印跡 (Western blot) 顯示，鐵硫簇蛋白 FDX1、ACO2、SDHB 的表達(dá)水平顯著下調(diào)，直接抑制三羧酸循環(huán) (TCA cycle) 關(guān)鍵酶活性，導(dǎo)致能量代謝崩潰。隨后，共聚焦激光掃描顯微鏡 (CLSM) 觀察到，銅死亡關(guān)鍵標(biāo)志物 DLAT 在細(xì)胞質(zhì)中形成顯著聚集斑塊 (紅色熒光信號(hào)增強(qiáng))，證實(shí)脂�；�蛋白異常聚集。并且，生物透射電鏡 (Bio-TEM) 顯示，RC NPs/US 處理的腫瘤細(xì)胞線粒體出現(xiàn)嵴結(jié)構(gòu)減少、膜密度增高及整體萎縮，表明線粒體功能嚴(yán)重受損。
 


圖 2. RC NPs 的胞內(nèi)抗癌特性^[1]。
A-C：RC NPs 能夠有效地將癌細(xì)胞內(nèi)化，增加胞內(nèi) ROS 水平和銅離子濃度，抑制細(xì)胞活力。RC NPs/US 處理后的 Miapaca-2 細(xì)胞中，ROS 生成量分別比 RC NPs 和 MPN NPs/US 處理后高4.0 倍和 3.4 倍（A）；且 Miapaca-2 細(xì)胞中的 Cu 含量是經(jīng)CuCl₂ 處理的細(xì)胞中的 9.1 倍 (B)；由此，20 μM RC NPs/US 處理的 Miapaca-2 細(xì)胞存活率僅為 28% (IC₅₀=8.7 μM) (C)。D-E：RC NPs 通過誘導(dǎo)脂�；�蛋白質(zhì)的聚集和鐵硫簇蛋白的還原，誘導(dǎo)銅死亡。RC NPs/US 處理下調(diào)了鐵硫簇蛋白（如 POLD1、ACO2、SDHB、LIAS 和 FDX1）的表達(dá)水平 (D)；并且，DLAT 在細(xì)胞質(zhì)中顯著聚集，標(biāo)志銅死亡的發(fā)生 (E)。F-G：RC NPs 靶向癌細(xì)胞線粒體并抑制線粒體膜電位。RC NPs/US 處理胰腺癌細(xì)胞 Miapaca-2，線粒體形態(tài)大多萎縮，線粒體嵴減少甚至消失，線粒體膜密度增加 (F)；同時(shí)，細(xì)胞的線粒體膜電位發(fā)生改變，JC-1 無法在線粒體基質(zhì)中聚集，呈現(xiàn)強(qiáng)綠色熒光和弱紅色熒光 (G)。

殺手锏二：激活 ICD 介導(dǎo)的抗癌免疫反應(yīng)和免疫微環(huán)境

研究發(fā)現(xiàn)，RC NPs 觸發(fā) ICD 特征性分子 DAMP 釋放。DAMP 主要包括鈣網(wǎng)蛋白 (CRT) 外翻、ATP 和高遷移率族蛋白 B1 (HMGB1) 釋放。CLSM 和流式細(xì)胞術(shù) (FCM) 定量結(jié)果顯示，RC NPs/US 處理的 Miapaca-2 細(xì)胞膜表面 CRT 熒光強(qiáng)度和表達(dá)較對(duì)照組提升，標(biāo)志著 ICD 的啟動(dòng)。ELISA 檢測(cè)到 Miapaca-2 細(xì)胞培養(yǎng)上清中 HMGB1 濃度上升，F(xiàn)CM 顯示 ATP 釋放量增加，二者協(xié)同促進(jìn)抗原呈遞細(xì)胞 (APC) 的募集與活化。

并且，RC NPs 同時(shí)介導(dǎo)免疫效應(yīng)細(xì)胞的系統(tǒng)性激活，促進(jìn)樹突狀細(xì)胞 (DC) 成熟和巨噬細(xì)胞極化重編程。FCM 顯示，與 RC NPs/US 處理的腫瘤細(xì)胞共培養(yǎng)后，骨髓來源樹突狀細(xì)胞 (BMDC) 的成熟率顯著提升，其抗原呈遞能力顯著增強(qiáng)。RC NPs/US 處理后， M1 型巨噬細(xì)胞 (CD80⁺) 比例較對(duì)照組顯著提升，且 M2 型標(biāo)志物 CD206 表達(dá)顯著降低，促進(jìn) M2 型向 M1 型轉(zhuǎn)化，表明免疫抑制微環(huán)境向促炎狀態(tài)逆轉(zhuǎn)。

此外，RC NPs 介導(dǎo)系統(tǒng)性 T 細(xì)胞免疫激活與免疫抑制微環(huán)境重塑，增強(qiáng) T 細(xì)胞浸潤與免疫監(jiān)視。RC NPs/US 顯著增加 Panc 02 皮下瘤模型中 CD8⁺ T 細(xì)胞比例和浸潤率，CD8⁺ T 細(xì)胞占比較對(duì)照組增加 2.2 倍。提升腫瘤組織中 NK 細(xì)胞比例，較 PBS 組 (5.24%) 增加近 3  倍。降低腫瘤內(nèi) Treg 細(xì)胞比例，使其顯著低于 PBS 組 (7.9%)。
 



圖 3. RC NPs 可引發(fā)腫瘤特異性免疫反應(yīng)^[1]。
A-D：RC NPs 有效激活 DAMP，活化免疫反應(yīng)。RC NPs 誘導(dǎo) Miapaca-2 細(xì)胞的 CRT 向細(xì)胞膜遷移，使其暴露在細(xì)胞表面，并增加癌細(xì)胞核中 HMGB1 釋放 (A)。RC NPs 處理，使 Miapaca-2 細(xì)胞的 CART 的流式細(xì)胞術(shù)曲線面積 (B) 和 FCM 分析指數(shù)增加 (C)，產(chǎn)生的 ATP 量是 RC NPs 處理的細(xì)胞的 1.3 倍 (D)。E- H：RC NPs/US 誘導(dǎo) DC 成熟，成熟 DC 細(xì)胞（CD80⁺ CD86⁺）數(shù)量增加 (E-F)；NPs/US 并誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞從 M2 極化到 M1。I-K：RC NPs/US 激活腫瘤和淋巴結(jié)的免疫反應(yīng)。RC NPs/US 增強(qiáng) T 細(xì)胞免疫，增加 CD80⁺ CD86⁺ 細(xì)胞占比 (I)，活化并增強(qiáng) NK 細(xì)胞的抗腫瘤反應(yīng) (J)，降低小鼠的腫瘤組織中 Treg 細(xì)胞的比例 (K)。

Section.03
RC NPs 改寫胰腺癌小鼠命運(yùn)

RC NPs 憑借超聲激活的“雙殺絕技”——銅死亡誘導(dǎo)與免疫激活，或能改寫胰腺癌荷瘤小鼠的生存命運(yùn)。在 C57BL/6 小鼠胰腺癌 Panc 02 皮下腫瘤模型中，通過尾靜脈給藥，可觀察到 RC NPs 在腫瘤部位積聚。在熒光成像引導(dǎo)下，鎖定位置執(zhí)行超聲治療。RC NPs 誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生銅死亡，發(fā)揮出顯著且優(yōu)于 Gemcitabine(GEM)  的腫瘤抑制率 (抑制率達(dá) 90%)^[1]。
 

圖 4. RC NPs 聯(lián)合 SDT 在胰腺癌皮下模型中的抗腫瘤效果^[1]。
A-C：RC NPs/US 的體內(nèi)成像和抗腫瘤特性。不同時(shí)間點(diǎn)靜脈注射 Cy7.5-RC NPs 后的生物分布和離體成像，熒光信號(hào)在 24 h 時(shí)達(dá)到峰值 (A)。經(jīng)尾靜脈向小鼠體內(nèi)注射 PBS、Gemcitabine (GEM)、MPN NPs、MPN NPs/US、RC NPs 和 RC NPs/US， 再進(jìn)行超聲治療。RC NPs/US 處理組的腫瘤大小顯著小于其他處理組 (B)，顯示出顯著的腫瘤治療效果，腫瘤抑制率約為 90% (C)。D：腫瘤切片的 H&E 和 Ki67 染色結(jié)果顯示，接受 RC NPs/US 治療的小鼠的腫瘤細(xì)胞增殖受到顯著抑制，圖 4 腫瘤組織出現(xiàn)廣泛的細(xì)胞核收縮、碎裂和缺失。

在小鼠胰腺癌原位模型 (Panc 02-Luciferase 細(xì)胞胰腺注射) 和基于臨床患者來源異種移植 (PDX) 模型中，RC NPs/US 實(shí)現(xiàn)了 “從絕境到希望” 的跨越^[1]。

在小鼠胰腺癌原位模型中，RC NPs/US 組腫瘤生長速度顯著低于對(duì)照組；免疫分析表明，腫瘤內(nèi)成熟樹突狀細(xì)胞 (CD80⁺ CD86⁺) 比例提升至 41.2%，CD8⁺ T 細(xì)胞浸潤率提升至 25.1%，形成強(qiáng)烈的抗腫瘤免疫應(yīng)答，讓免疫系統(tǒng)記住癌細(xì)胞特征，預(yù)防復(fù)發(fā)。RC NPs/US 在原位腫瘤模型中實(shí)現(xiàn)了高效低毒的治療效果。

在小鼠 PDX 模型中，傳統(tǒng)治療組 (PBS、GEM) 小鼠均在 40 天內(nèi)死亡，而 RC NPs/US 組 80% 小鼠存活超過 60 天，部分個(gè)體甚至實(shí)現(xiàn)腫瘤完全消退。30 天療程結(jié)束時(shí)，RC NPs/US 組腫瘤體積僅為初始體積的 1.2 倍，而對(duì)照組腫瘤體積增長 15 倍以上。RC NPs/US 在高度模擬臨床腫瘤微環(huán)境的 PDX 模型中可有效抑制腫瘤生長并提高生存率 (SR)。
 
圖 5. RC NPs 聯(lián)合 SDT 在胰腺癌皮下模型和 PDX 模型中的抗腫瘤效果^[1]。
A-D：RC NPs 在小鼠胰腺癌原位模型中的體內(nèi)抗腫瘤效果。通過將表達(dá)熒光素酶的 Panc 02 細(xì)胞原位注射到小鼠胰腺中建立模型，模型建立成功后分兩次經(jīng)尾靜脈注射 RC NPs (A)。加入超聲治療后，RC NPs/US 有效抑制腫瘤生長，平均腫瘤重量僅為 GEM 組和 RC NPs 組小鼠的 1/6 和 1/2 (B)；并增加腫瘤中成熟 DC 細(xì)胞數(shù)量 (C) 和 CD8⁺ T細(xì)胞浸潤率 (D)。 RC NPs 治療期間小鼠的體重沒有出現(xiàn)明顯變化。E-G：RC NPs 在患者來源異種移植（PDX）模型的體內(nèi)抗腫瘤效果。將臨床胰腺患者新鮮的小塊腫瘤組織皮下移植到小鼠體內(nèi)，建立 PDX 模型。分別在第 1 天和第 3 天通過尾靜脈向小鼠體內(nèi)注射治療劑 (E)。結(jié)果顯示，RC NPs/US 有效抑制了腫瘤的生長，小鼠的生存率明顯長于其他組 (F)；且 RC NPs/US 組的小鼠腫瘤體積顯著小于對(duì)照組 (G)。

SDT+ 納米顆粒的玩法可以很好的適用于深度實(shí)體腫瘤 (如肝癌、膠質(zhì)母細(xì)胞瘤) 和耐藥腫瘤 (阿霉素耐藥 U87 細(xì)胞)。還可以加入聯(lián)合治療套餐，擴(kuò)大治療面。比如 SDT+ 免疫治療，誘導(dǎo) ICD 后聯(lián)合 PD-L1 抗體，或能使 CD8⁺ T 細(xì)胞浸潤率顯著提升。或 SDT+ 基因治療，通過超聲靶向遞送 siRNA，沉默腫瘤相關(guān)基因 (如 MDR1)，逆轉(zhuǎn)化療耐藥。

SDT 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)^[1][2]：

• 精準(zhǔn)可控：通過調(diào)節(jié)超聲參數(shù) (頻率、強(qiáng)度、脈沖模式)，可實(shí)現(xiàn)腫瘤局部的精準(zhǔn)激活，避免引起全身毒性。避免引起全身毒性、"誤殺” 健康細(xì)胞。
• 深層穿透：超聲波作為機(jī)械波，穿透深度顯著優(yōu)于光動(dòng)力療法 (PDT) 的光源 (如可見光 / 近紅外光)，可到達(dá)深層腫瘤組織 (如肝臟、胰腺等深部器官)，適用于治療傳統(tǒng)療法難以觸及的實(shí)體瘤。

Section.04
小結(jié)

本期文章解讀，介紹了 RC NPs 在胰腺癌皮下模型、原位模型及患者來源異種移植 (PDX) 模型中的顯著抑瘤效果。同時(shí)熒光成像和流式細(xì)胞術(shù)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了 RC NPs 的良好生物安全性和免疫激活能力。這一成果不僅攻克了傳統(tǒng)銅遞送系統(tǒng)時(shí)空控制不足和全身毒性的難題，更開辟了聲動(dòng)力療法與新型細(xì)胞死亡機(jī)制聯(lián)合應(yīng)用的新方向，為臨床轉(zhuǎn)化提供了極具潛力的候選方案。或許不久的將來，無創(chuàng)、精準(zhǔn)的納米療法會(huì)成為抗癌標(biāo)配，讓更多‘不治之癥’變成‘可治之癥’！”
 

產(chǎn)品推薦

1,3-Diphenylisobenzofuran (DPBF) (HY-W011664)  檢測(cè)單線態(tài)氧 (1O2) 的生成，驗(yàn)證聲敏劑 RBB 的活性。

Cy5.5 (HY-D0924) 標(biāo)記 RC NPs (Cy5.5-RC NPs)，通過流式細(xì)胞術(shù) (FCM) 監(jiān)測(cè)腫瘤細(xì)胞 (如 Miapaca-2) 對(duì)納米顆粒的攝取效率。

Cy7.5 (HY-D0926) 標(biāo)記 RC 納米顆粒 (Cy7.5-RC NPs)，通過體內(nèi)成像系統(tǒng) (IVIS) 監(jiān)測(cè)納米顆粒在腫瘤模型中的生物分布及富集情況。

2',7'-Dichlorodihydrofluorescein diacetate (DCFH-DA) (HY-D0940) ROS 探針，通過綠色熒光強(qiáng)度變化可視化和半定量分析腫瘤細(xì)胞內(nèi)活性氧 (ROS) 的生成水平。

Rhodamine B hydrazide (RBH) (HY-123645) 檢測(cè)腫瘤細(xì)胞內(nèi)銅離子 (Cu2+) 的濃度，綠色熒光強(qiáng)度與胞內(nèi) (Cu2+) 濃度呈正相關(guān)。

5,5',6,6'-Tetrachloro-1,1',3,3'-tetraethylbenzimidazolylcarbocyanine iodide (JC-1) (HY-15534) 通過紅綠熒光比例變化評(píng)估線粒體膜電位變化，反映線粒體功能損傷及銅死亡進(jìn)程。

Gemcitabine (HY-17026) 抗腫瘤劑，可抑制 DNA 合成和修復(fù)，導(dǎo)致細(xì)胞自噬 (autophagy) 和凋亡 (apoptosis)。

 

[1] Huang J, et al. Ultrasound-Triggered Nanoparticles Induce Cuproptosis for Enhancing Immunogenic Sonodynamic Therapy. Adv Mater. 2025 May 13:e2504228. 
[2] Gong Z, et al. Design and Challenges of Sonodynamic Therapy System for Cancer Theranostics: From Equipment to Sensitizers. Adv Sci (Weinh). 2021 Mar 12;8(10):2002178.