Nature nanotechnology 用(yòng)于腫瘤細胞特異性∏↓代謝(xiè)治療的(de)人(rén)工(gōng)代謝(€​₹>xiè)酶

An artificial metabzyme for tumour>♣-cell-specific metabolic therapy

Xi Hu, Bo Zhang, Miao Zhang, Wenshi Liaδσβ→ng, Bangzhen Hong, Zhiyuan Ma¥'£, Jianpeng Sheng, Tianqi Liu, Shenγ"gfei Yang, Zeyu Liang, ®​Jichao Zhang, Chunhai Fa≠¥©∞n, Fangyuan Li & ≥✘ ↓Daishun Ling

發表期刊：Nature Nanotechnology

影(yǐng)響因子(zǐ)：38.1

DOI: 10.1038/s41565-024-0173∞©3-y

研究背景

新陳代謝(xiè)紊亂與癌症、糖尿病和(hé)心血管疾病等一(yī)系列難以治愈的‌€(de)疾病有(yǒu)關。在腫瘤微(wēi)環境（TME）中的(de)代謝(xiè)情況，是(shì)選擇癌症療法的(de)重≈≈↔‍要(yào)途徑。現(xiàn)有(yǒu)的(de)代謝(xiè♥≠®±)療法一(yī)般都(dōu)缺乏腫瘤細胞特異性，其治療效率往往受到(dào)不(bù)可(kě)預見(j ✔✔iàn)的(de)脫靶效應和(hé)持續時(shí)間(jiān)短(duǎn)的(de)限制(zhì)。

酶在協調TME內(nèi)的(de)新陳代謝(xiè)轉變方面發揮著(zhe)關鍵作 ≥∑(zuò)用(yòng)，能(néng)将底物(wù)快∏↕π£(kuài)速連續轉化(huà)為(wèi)産物(wù)，表現(≠β™λxiàn)出良好(hǎo)的(de)靶标特異性。類似酶的(de)納米催化(huà)劑可(kě)模拟多(duō)種天然酶，包括氧化(huà)還(hái)原酶、™≠λ 水(shuǐ)解酶、裂解酶等。目前，制(z$•εhì)造具有(yǒu)類似多(duō)金(jīn)屬代謝(xiè)酶特性的(de)合成納米酶是(shì)一(yī)項艱巨的(de)挑戰。作(zδ♣≥uò)者的(de)靈感來(lái)自(zì)于黃(huáng)嘌呤氧化(huà)還(háiλ→σ )原酶（XOR），它将黃(huáng)嘌呤轉化(huà​∞♦✔)為(wèi)尿酸（UA），其特點是(shì)具有(yǒu)鐵(tε iě)和(hé)四面體(tǐ)钼的(de)結構。XOR與各種癌症的(de)不(bù)良預後有(yǒu)關，對∏©→(duì)炎症反應有(yǒu)重要(yào)影(yǐng)響。£φ≥某些(xiē)黃(huáng)嘌呤衍生(shē$<ng)物(wù)的(de)免疫抑制(zhì)特性和(hé)尿酸在增強抗腫瘤免疫πγ力方面的(de)顯著作(zuò)用(yòn÷☆ g)都(dōu)顯示出XOR的(de)關鍵意義。

技(jì)術(shù)方法

代謝(xiè)組學、轉錄組學、微(wēi)生(shēng)物(wù)組學、ε×✔±空(kōng)氣動力輔助解吸電(diàn)噴霧質譜成像（AFADESI-MSI）、流式細胞術(shù)和(hé)質譜流式分✘←↑(fēn)析、液相(xiàng)色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）、氣相(xiàng)色譜-質譜（GC-MS）

研究亮(liàng)點

作(zuò)者聚焦天然代謝(xiè)酶和(hé)腫瘤-免疫細胞互作(zuò)調控，合成鐵(tiě)和(héα£∞ )四面體(tǐ)钼原子(zǐ)構象的(de)FeMoO₄人(rén)工(gōng)代謝(xiè)酶，為(wèi)代謝(xiè)異常相₽∏×←(xiàng)關疾病（包括腫瘤、心血管疾病、痛風(™×fēng)、糖尿病等）提供基于人(rén)工(gōng)代謝(xiè)酶♥÷ 的(de)全新代謝(xiè)免疫調控策略，開(kāi)創化(huà)學生φ♥$(shēng)物(wù)學驅動的(de)精準代謝(xiè)治療新範式。

研究思路(lù)

作(zuò)者設計(jì)了(le)一(yī)種獨特的(de)溶蝕-吸附-固定的(de)程序，合成出FeMoO₄納米催化(huà)劑，一(yī)種新型人(rén♥"♣♣)工(gōng)代謝(xiè)酶，具有(yǒu)Fe²⁺和(hé)四面體(tǐ)Mo⁴⁺活性中心的(de)結構，精确模拟了(le)類似XOR的(de)催化(huà)領域（圖1a）。這(zhè)種人(rén)工(gōng)代謝(xiè)酶♥₩α在到(dào)達含有(yǒu)低(dī)水(shuǐ)Ω♥®α平XOR和(hé)黃(huáng)嘌呤底物(wù)的(de)腫瘤細胞時(shí)，會(∞$huì)巧妙地(dì)将黃(huáng)嘌呤快(kuài)速轉化&₽ (huà)為(wèi)過量的(de)尿酸，觸發巨噬細胞釋放(fàng)促炎β↑細胞因子(zǐ)、白(bái)細胞介素，從(c₩​óng)而促使M1巨噬細胞極化(huà)，并激活其他(tā)免疫δ£細胞。這(zhè)種代謝(xiè)調控促進了(le)細胞間(ji≤∞  ān)代謝(xiè)的(de)通(tōng)訊，協同免疫細胞對(duì)腫瘤細α ​¶胞發起攻擊，推動了(le)腫瘤細胞特異性代謝(xiè)療法（圖1b）。該人(rén)工(gōng)代謝(xiè)酶展示了(l<‌↑e)在生(shēng)命代謝(xiè)畫(huà)布上(shàng)靶'•≥×向改造腫瘤細胞的(de)潛力，将腫瘤細胞自(zì)己定位為(wèi)✔α♦一(yī)個(gè)燃燒的(de)“火(huǒ)花(huā)”來(lái)刺激免疫系統的(de)定點激活。ε 

圖1：用(yòng)于腫瘤細胞特異性代謝(xiè)治療的(de£<↕)FeMoO₄人(rén)工(gōng)代謝(xiè)酶示意圖

研究結果

1.代謝(xiè)酶的(de)合成與機(jī)理(lǐ)研究

作(zuò)者設計(jì)了(le)一(yī)種獨特的(de)溶蝕-吸附-固定的(de)程序，Mo空(kōng)位成為(wèi)鐵(tiě)原子(zǐ)協調吸附和(hé)‍♠α固定的(de)錨點，最終導緻原子(zǐ)和(h✘÷∑é)晶體(tǐ)結構的(de)動态變化(huà)，促進了(le)四面體(←$tǐ)Mo⁴⁺活性中心的(de)出現(xiàn)，合成出FeMoO₄納米催化(huà)劑，一(yī)種新型人(rén)工(gōng)代謝φ☆γ(xiè)酶。其具有(yǒu)Fe²⁺和(hé)四面體(tǐ)Mo⁴⁺活性中心的(de)結構，精确模拟類似XOR的(de)催化(huà)域（圖2）。

 圖2：設計(jì)具有(yǒu)四面體(tǐ)催化(huà)框架的(de)多(​₽duō)金(jīn)屬酶

通(tōng)過透射電(diàn)鏡、元素分(fēn)析、球差電(diàn)鏡和(hé)同 Ω∞←步輻射等技(jì)術(shù)方法，證實了(le)Fe以單原子(zǐ)形式均勻分(fēn)布在FeMoO₄人(rén)工(gōng)代謝(xiè)酶 π結構中。研究還(hái)發現(xiàn)，FeMoO₄人(rén)工(gōng)代謝(xiè)酶中Fe和(hé)Mo元素價态分(fēn)别為(wèi)Fe²⁺/Fe3+和(hé)Mo⁴⁺/Mo⁵⁺/Mo⁶⁺；此外(wài)，Fe的(de)摻雜(zá)顯著提高(gāo)了(le₹✘₩€)Fe-O-Mo的(de)電(diàn)子(zǐ)轉移效率，為(wèi¥←)在生(shēng)命體(tǐ)系高(gā☆£®Ωo)效催化(huà)腫瘤細胞代謝(xiè)産物(wù)黃(huán§♦g)嘌呤奠定了(le)理(lǐ)化(huà)結構基礎（圖δ∏™3）。

圖3：FeMoO4代謝(xiè)酶的(de)理(lǐ)化(huà)特征

2. 代謝(xiè)酶模拟催化(huà)活性的(de)機(jī™ Ω♠)理(lǐ)

為(wèi)理(lǐ)解FeMoO₄代謝(xiè)酶促進UA形成的(de)反應機(jī)制(zhì)，作(zuò)者通(tōng♣✔λ♦)過密度泛函理(lǐ)論（DFT）計(jì)算(suàn)發現(xiàn)FeMoO₄通(tōng)過與羟基（OH）反應形成OH-MoO-Fe複合物(wù)，促進黃(huáng)嘌呤的(de)氫化(huà£α∑≈)物(wù)轉移，從(cóng)而提高(gāo)了(le)UA的(de)生(shēng)成效率（圖4a）。Fe原子(zǐ)摻雜(zá)引起的(de)MoO₃晶格重排，顯著提高(gāo)了(le)FeMoO₄人(rén)工(gōng)代謝(xiè)酶對(duì)黃(huáng)嘌呤底↓±€"物(wù)的(de)吸附能(néng)力↕♥×↓和(hé)表面電(diàn)子(zǐ)活性，這(zhè)在黃(huáng)嘌呤α≤轉化(huà)為(wèi)尿酸的(de)催化(huà)過程中起到(dào)了(☆¶ ‍le)關鍵作(zuò)用(yòng)，凸顯了(le)鐵(tiě)驅動催化(¶εhuà)的(de)重要(yào)性。通(tōng)過與天然XOR酶進行(xíng)平行(xíng)比較，四面體(tǐ)Mo⁴⁺成分(fēn)促進了(le)黃(huáng)嘌呤的(de)氧化(huà)©&。FeMoO₄代謝(xiè)酶的(de)高(gāo)電(diàn)子(zǐ)傳∞&&遞效率以及催化(huà)結構與以Mo和(hé)Fe為(wèi)中心的(de)XOR酶的(de)一(yī)緻性，賦予了(le)它模仿XOR催化(huà)的(de)強大(dà)能(nγ↑éng)力。這(zhè)種能(néng)力生(shēng)動地(dì)體(​∞γtǐ)現(xiàn)在UA的(de)穩定生(shēng)成上(shàng→φ)（圖4h）。

 圖4：FeMoO₄代謝(xiè)酶類XOR催化(huà)機(jī)理(lǐ)的(d←≤e)DFT研究

3.代謝(xiè)酶對(duì)腫瘤細胞代謝(xiè)的(de)調節作(z‍÷™uò)用(yòng)

作(zuò)者進一(yī)步研究了(le)FeMoO₄代謝(xiè)酶和(hé)UA代謝(xiè)産物(wù)在體(tǐ)外(wài)腫瘤細胞-巨噬細胞串聯中的(de)作(zuò)用(yòng)。定量分( δfēn)析顯示，FeMoO₄代謝(xiè)酶處理(lǐ)後腫瘤細胞分(fēn)泌的(d↑>£&e)UA明(míng)顯增加（圖5a）。FeMoO₄代謝(xiè)酶促進與巨噬細胞之間(jiān)的(de)細胞間(jiān)​↔←∑代謝(xiè)串聯，從(cóng)而産生(s≠£hēng)有(yǒu)效的(de)抗腫瘤反應，揭示了÷©≠↕(le)FeMoO₄代謝(xiè)酶介導的(de)腫瘤細胞內(n✔♦♣ èi)黃(huáng)嘌呤代謝(xiè)在抗<♥腫瘤免疫反應激活中的(de)深遠(yuǎn)作(zuò)用(Ω‍∏✘yòng)。采用(yòng)非靶向液相(xiàng)色譜質譜聯用(yò§∑©ng)（LC-MS）方法，測量了(le)腫瘤組織中UA和(hé)相(xiàng)關代謝(xiè)物(wù)的(de)定量特征，用(yòng)于研究FeMoO₄代謝(xiè)酶治療後腫瘤細胞特異性代謝(xiè)重塑的£₹<Ω(de)情況。FeMoO₄-甲胎蛋白(bái)酶處理(lǐ)組與對(d♣↕uì)照(zhào)組的(de)UA水(shuǐ)平存在明(míng)顯差異（圖5h,i）。 

通(tōng)過空(kōng)氣動力輔助解吸電(diàn)噴霧質譜成像（AFADESI-MSI）分(fēn)析和(hé)Lillie染色，直接觀察代謝(xiè)組和(hé)FeMoO4代謝(xiè)酶的(de)空(kōng)間(jiān)分(fēn  )布（圖5j）。腫瘤組織的(de)代表性代謝(xiè)物(wù☆ )成像圖顯示UA上(shàng)調，高(gāo)濃度UA代謝(xiè)物(wù)的(de)空(kōng)間(jiān)位置&←與FeMoO₄代謝(xiè)酶的(de)位置重合（圖5k-m）。空(kōng)間(jiān)代謝(xiè)組δπ≈¥學有(yǒu)力的(de)證實了(le)FeMoO₄代謝(xiè)酶分(fēn)布與癌症代謝(xiè)重​<編程之間(jiān)的(de)直接關系。作(zuò)者提取了(le)特定區₽$γ↔(qū)域的(de)原位AFADESI-MSI圖譜，以分(fēn)析FeMoO₄作(zuò)用(yòng)的(de)腫瘤₩✔組織中Fe²⁺富集區(qū)和(hé)缺乏區(qū)的(de☆× )代謝(xiè)物(wù)強度（圖 5n）。特别是(shì)，在FeMoO₄代謝(xiè)酶保留明(míng)顯的(de)腫瘤組織中，UA代謝(xiè)物(wù)的(de)強度明(míng)顯超過周圍微(wēi✔♥γ)區(qū)，也(yě)超過了(le)對≤α(duì)照(zhào)組腫瘤組織的(de)水(shu•©'ǐ)平，這(zhè)表明(míng)代謝(xiè)酶定位與UA代謝(xiè)重編程之間(jiān)存在密切的(de ₹σ↓)相(xiàng)關性。

 圖5：FeMoO₄代謝(xiè)酶介導的(de)代謝(xiè)重∏₩δΩ編程

4.基于代謝(xiè)調節的(de)抗腫瘤免φ∑€疫反應

FeMoO₄人(rén)工(gōng)代謝(xiè)酶能(néng)夠有(yǒu§← )效抑制(zhì)B16F10腫瘤的(de)生(shēng)長(cháng)。作(zuò‍¶)者通(tōng)過流式細胞術(shù)和(hé)質譜流式分($‍$✔fēn)析等技(jì)術(shù)，發現(xiàn)FeMoO₄人(rén)工(gōng)代謝(xiè)酶顯著提高( ‍gāo)了(le)腫瘤組織中M1型巨噬細胞、CD8+ T細胞、CD4+ T細胞和(hé)成熟樹(shù)突狀細胞（DCs）的(de)比例，同時(shí)上(shàng)調了(↑£le)IL-1、TNF和(hé)IL-12等促炎細胞因子(zǐ)的(de)水(shuǐ)平。作(zuò)者根®•¥據上(shàng)述結果得(de)出結論：尿酸分(fēn)子(×₽zǐ)作(zuò)為(wèi)“定位和(hé)激活信号”介導腫瘤細胞與免疫細胞的(de)之間(jiān)的(de)相(xiàng)互♣♠≥作(zuò)用(yòng)：

1）尿酸誘導鄰近(jìn)的(de)巨噬細胞向M1表型極化(huà)，并激活NLRP3/IL-1通(tōng)路(lù)，從(cóng)而使巨噬細胞能(n↑♣éng)夠識别并吞噬“被定位”的(de)腫瘤細胞；

2）尿酸和(hé)促炎細胞因子(zǐ)IL-1能(néng)夠增強DCs和(hé)T細胞等免疫細胞活性，從(cóng)而特異性激發抗腫瘤免疫應答(​&dá)。此外(wài)，FeMoO₄人(rén)工(gōng)代謝(xiè)酶與PD-1單抗聯用(yòng)能(néng)夠更有(yǒu)效地(d÷&φαì)抑制(zhì)腫瘤生(shēng)長(cháδ↕©ng)，并延長(cháng)小(xiǎo)鼠的(de)生(shēng)存期（♦σ圖6）。

FeMoO₄代謝(xiè)酶具有(yǒu)超越免疫抑制(zhì)腫瘤為(wσ∑ πèi)緩解和(hé)增強B16黑(hēi)色素瘤PD-L1表達的(de)潛力，可(kě)為(wèi)♠♥提高(gāo)檢查點阻斷療法的(de)反應率提供有(yǒu)力的(de)替代方"αγ案。

 圖6：FeMoO₄代謝(xiè)酶用(yòng)于腫瘤細胞特異性代謝× (xiè)治療

結論

作(zuò)者報(bào)告了(le)一(yī)種能(néng)無縫模拟類₽↕似XOR催化(huà)域的(de)人(rén)工(gōng)代謝(xiè)酶，♥<開(kāi)創性的(de)設計(jì)了(le)一(yī)種←★♥€獨特的(de)“溶蝕-吸附-固定”技(jì)術(shù)，将鐵(tiě)原子(zǐ)結合α‍∞到(dào)氧化(huà)钼催化(huà)劑中，同時(shí)進行↕♦©‌(xíng)原子(zǐ)重排，以反映XOR的(de)催化(huà)特征。該人(rén)工(gō¶☆βng)代謝(xiè)酶在腫瘤細胞內(nèi)協σ∑調黃(huáng)嘌呤代謝(xiè)，産生(shēng)過量的(de)UA，通(tōng)過觸發促炎細胞因子(zǐ)的(de)産生(shēng)來(lá'​≤'i)激活免疫系統。作(zuò)者的(de)“人(rén)工(gōng)代謝(xiè)酶”概念可(kě)能(néng)會(huì)催生(shē ≈≠‌ng)一(yī)個(gè)新興的(de)“代謝(xiè)酶替代療法”領域，為(wèi)完善先天性和(hé)後天性代謝(xiè)紊亂ε↔的(de)治療提供一(yī)條途徑。

采用(yòng)非靶向代謝(xiè)組和(hé)AFADESI-MSI空(kōng)間(jiān)代謝(xiè)組技(jì)術(shù)測量了(le)腫瘤組織中UA和(hé)相(xiàng)關代謝(xiè)物(wù)的(de)€←∏≠定量特征，用(yòng)于研究FeMoO4代謝(xiè)酶治療後腫瘤細胞特異性代謝(xiè)重塑的(de)情況。≈¥&高(gāo)濃度UA代謝(xiè)物(wù)的(de)空(kōng)間(ji✘&ān)位置與FeMoO4代謝(xiè)酶的(de)位置重合，空(kōng)間↓•₽(jiān)代謝(xiè)組技(jì)術(shù)有(yǒu§₹™$)力的(de)證實了(le)FeMoO4代謝(xiè)酶分(fēn)布與癌症代謝(xiè•✔β)重編程之間(jiān)的(de)直接關系。空(kōng)間(jiān♠γ σ)代謝(xiè)組相(xiàng)關多(duō)組學技(>←≈jì)術(shù)的(de)應用(yòng)場(chǎng)景廣闊，φ₽© 可(kě)用(yòng)于疾病機(jī)制(zhì)研±•♣ 究，标志(zhì)物(wù)篩選，調控機(jī)制(zhì)分(fēn​ ≈)子(zǐ)機(jī)制(zhì)研究，是(shì)科(k≤ ¥ē)研的(de)好(hǎo)幫手。

原文(wén)鏈接

PMID: 39103450 DOI: 10.1038/s41565-¶σδ024-01733-y