光動力療法(Photodynamic Therapy, PDT)作為一種時空精準可控的腫瘤治療策略,其臨床轉化潛力持續(xù)受到關注。然而,腫瘤微環(huán)境(TME)固有的缺氧(Hypoxia)特性和高水平的谷胱甘肽(GSH)抗氧化防御體系,極大地限制了傳統(tǒng)氧依賴型(Type II)PDT的療效。此外,如何將PDT誘導的細胞死亡轉化為能夠激活機體適應性免疫應答的免疫原性細胞死亡(Immunogenic Cell Death, ICD),從而克服腫瘤免疫抑制,是當前該領域面臨的關鍵科學挑戰(zhàn)。

針對上述問題,中山大學譚彩萍團隊研究設計了腫瘤微環(huán)境(TME)響應性納米顆粒,可實現(xiàn)不依賴氧氣的光動力治療,同時對免疫抑制性腫瘤微環(huán)境進行重編程。該研究設計了一種銥(III)配合物(Ir1),通過配位誘導電子轉移調(diào)控,實現(xiàn)了銅介導且谷胱甘肽(GSH)激活的光動力模式轉換,從依賴氧氣的II型光動力療法轉變?yōu)槟褪苋毖醯腎型光動力療法。將動態(tài)光敏劑精準整合到靶向葉酸受體的偶氮咪唑橋連銅(II)金屬有機框架(MOFs)中,構建出一種“與邏輯”響應型納米平臺(Ir1@FA@MOFs)。在光照條件下,該納米平臺可同時消耗谷胱甘肽(GSH),并生成羥基自由基(?OH)和超氧陰離子(O2??)。機制研究表明,Ir1@FA@MOFs通過線粒體損傷,調(diào)控多種細胞死亡方式的誘導過程,包括銅死亡、鐵死亡和PAN凋亡。在荷4T1腫瘤小鼠模型中,Ir1@FA@MOFs展現(xiàn)出優(yōu)異的腫瘤生長抑制效果,同時能將“冷腫瘤”轉化為具有免疫原性的“熱腫瘤”。該研究開創(chuàng)了一種腫瘤微環(huán)境響應型光動力模式轉換策略,通過金屬配位作用和谷胱甘肽激活的免疫原性死亡編程,克服了傳統(tǒng)光動力療法的局限性,為精準光免疫治療提供了新方向。該文章于2025年8月18日以《Synergistic Copper-Coordination/Glutathione Reduction Drives an In Situ Type II-to-Type I Photodynamic Switch in Iridium-Based Photosensitizer Nanocomposites for Potentiated Cancer Immunotherapy》為題發(fā)表于《Advanced Materials》上(DOI: 10.1002/adma.202506349)。
研究示意圖描繪了Ir1@FA@MOFs納米平臺介導的光動力療法(PDT)抗腫瘤機制的核心流程,強調(diào)其通過腫瘤微環(huán)境(TME)響應性設計實現(xiàn)的智能化治療策略。圖中展示了納米顆粒如何靶向遞送至腫瘤部位,其中葉酸受體(FA)介導的主動靶向增強腫瘤積累,并在TME特定信號(如缺氧、酸性pH和谷胱甘肽(GSH)過表達)觸發(fā)下釋放Ir1配合物;緊接著,銅離子(Cu(II))與Ir1的配位結合在GSH還原作用下發(fā)生動態(tài)轉換(從Ir1-Cu(II)的雙重激發(fā)態(tài)D0到Ir1-Cu(I)的單重激發(fā)態(tài)S0),從而將氧氣依賴的II型PDT原位切換為缺氧耐受的I型PDT,高效產(chǎn)生活性氧(ROS),包括羥基自由基(·OH)和超氧陰離子(O2-);這些過程協(xié)同耗盡GSH并破壞線粒體功能,誘導多重細胞死亡模式(如cuproptosis、ferroptosis和PANoptosis),最終導致免疫原性細胞死亡(ICD),表現(xiàn)為鈣網(wǎng)蛋白(CRT)暴露、ATP釋放和高遷移率族蛋白1(HMGB1)分泌,進而招募并活化樹突狀細胞(DCs)和細胞毒性T淋巴細胞(CTLs),實現(xiàn)從“冷”腫瘤向免疫原性“熱點”的轉化,形成自放大治療循環(huán)以根除腫瘤并重塑免疫抑制性微環(huán)境。

研究示意圖
(1)Ir1的合成、表征及與銅的結合性能
通過多峰光譜分析系統(tǒng)地研究了Ir1與 Cu(II)/ Cu (I)的結合特性(圖 1A )。在用 CuCl2滴定過程中, Ir1的紫外/可見吸收光譜呈現(xiàn)出漸進性變化。在加入 1.0 eq的 Cu(II) 后,在 380 nm 處出現(xiàn)明顯拐點,證實了 1:1 的結合化學計量。Cu(II)滴定出現(xiàn)340 nm等吸光點,圖1B),。1H NMR中δ 12.709 ppm信號減弱(Δδ ≈ 0.015 ppm,圖1C);對 Cu(II) 的不同光物理響應以濃度依賴性熒光猝滅為特征,而 Cu(I) 和 Zn(II) 的影響可忽略不計(圖 1D)。X 射線光電子能譜 (XPS) 分析提供了 Cu 氧化還原循環(huán)的直接證據(jù):Cu 2p 3/2結合能從 934.8 eV(Cu(II))轉移到 932.5 eV(Cu(I)),同時伴隨震動衛(wèi)星峰消失(圖 1E-G)。通過 X 射線吸收光譜 (XAS) 進一步闡明了 Ir1-Cu(II)和Ir1-Cu(I)配合物的配位結構。圖1H顯示了傅里葉變換的k3加權Cu K邊擴展 X 射線吸收精細結構 (EXAFS),兩個配合物均出現(xiàn)了一個歸因于 Cu–O/N 鍵的顯著 1.50 ? 峰。值得注意的是,歸一化的 XANES 光譜(圖 1I )顯示Ir1-Cu(II)比Ir1-Cu(I)具有更高的吸收邊能量,證實了Ir1-Cu(II)中銅價態(tài)的升高。Cu K邊光譜的小波變換 (WT) 分析(圖 1J-L)進一步驗證了不同的配位環(huán)境。

圖1 Ir1與銅離子的配位特性及GSH介導的還原。(A) Ir1的PDT模式切換示意圖。(B, C) UV-Vis和1H NMR滴定光譜。(E-G) XPS譜圖。(H, I) XANES和EXAFS譜圖
(2)Cu(II)配位和GSH還原誘導Ir1的II型向I型轉化
如圖2 A所示,在 Cu(II) 配位后,1 O 2生成顯著降低,猝滅比分別為 5.6 ( Ir1-Cu(II) ) 和 2.7 ( Ir1-Cu(I) ),而Ir1-Zn(II)保持了相當?shù)男?。而在通過二氫羅丹明123 (DHR123) 監(jiān)測的相同輻照條件下,Ir1-Cu(I)的超氧陰離子 (O2?-) 產(chǎn)量比游離Ir1增加了 1.3倍,表明 I型光動力活性增強,而Ir1-Cu(II) 的光動力活性則被抑制了 1.7倍(圖 2B)。以羥基苯基熒光素(HPF)為探針,Ir1-Cu(I)在可見光下高效生成?OH,而Ir1-Cu(II)完全抑制該過程;GSH將Ir1-Cu(II)還原為Ir1-Cu(I)后活性恢復,?OH產(chǎn)率較原始Ir1提升1.3倍(圖2C)。值得注意的是,525 nm 的光照射顯著加速了這一過程,Ir1-Cu(II)在光照后 3 分鐘內(nèi)就實現(xiàn)了 GSH 的快速消耗(圖 2D),這證明了Ir1-Cu(II)具有高效的光激活 GPx 樣酶活性。為了量化腫瘤相關 pH 條件下 ?OH 的產(chǎn)生,使用 3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺 (TMB) 作為 H2O2活化的比色探針。如圖 2E所示,Ir1-Cu(II)表現(xiàn)出 pH 依賴性催化行為:在生理 pH 7.4 (PBS) 下,在光照下觀察到極少量的 ?OH 生成。值得注意的是,與中性 pH 相比,酸性條件(pH 6.6)使 ?OH 產(chǎn)生增加了 7.2 倍。利用紫外可見光譜研究了煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH) 的氧化動力學。在 525 nm 的光照下,Ir1-Cu(II)誘導了特征光譜偏移:339 nm 處的特征峰降低(表明 NADH 消耗),260 nm 處的光譜升高(反映 NAD? 的生成),證實Ir1-Cu(II)表現(xiàn)出 NADH 氧化酶樣活性,通過光控電子轉移促進 NADH→NAD? 的轉化(圖2F)。DFT計算顯示Cu(I)配位使S?→T?能隙由3.03 eV降至2.79 eV,增強自旋軌道耦合與系間竄越(圖2G);電子順磁共振與理論分析表明,Ir1-Cu(II)開殼層D?態(tài)在光激發(fā)時面臨高能量壁壘,GSH誘導電子回配對后回歸閉殼層S0,實現(xiàn)高效電荷分離(圖2H)?;谏鲜鼋Y果,提出Ir1通過 Cu 配位轉換和 GSH 響應還原機制動態(tài)調(diào)節(jié) I 型 ROS 生成(圖2H、I)。

圖2 Ir1在銅離子與GSH調(diào)控下的ROS生成模式切換。(A) ABDA探針顯示Cu(II)配位抑制了1O2(Type II)的生成。(B, C) DHR123和HPF探針顯示GSH還原后的Ir1-Cu(I)復合物高效生成O2??和?OH(Type I)。(D-F) DTNB光譜圖。(H, I) Type I ROS生成及協(xié)同代謝干擾機制示意圖
(3)Ir1@FA@MOFs的構建與表征
利用Ir1的光敏特性,通過Cu(II)-偶氮咪唑-Zn(II)配位開發(fā)了GSH消耗/缺氧適應性MOF平臺(圖3A)。Ir1@FA@MOFs的結構表征通過透射電子顯微鏡 (TEM) 揭示了明確的納米晶體形貌 (圖3B),元素映射證實了 Ir、Cu、Zn、C、N、O 和 S 物質的均勻分布 (圖3C)。動態(tài)光散射 (DLS) 測量表明單分散納米顆粒的流體動力學直徑為 127.7 ± 0.6 nm (PDI = 0.113 ± 0.008),水懸浮液中的 zeta 電位為 ?20.2 ± 1.0 mV (圖3D)。刺激響應分解研究揭示了 pH 依賴性降解( pH 5.0 時Ir1釋放 48.6% 而在pH 7.4 時僅釋放6.3%)、ROS 引發(fā)的溶解加速(光照下Ir1釋放 29.5% 而在黑暗條件下僅釋放5.8%)和缺氧增強分解(有 Na2S2O4(10 mM)時Ir1釋放29.2% 相比沒有 Na2S2O4 時僅釋放5.1%),證實了 TME 響應性藥物釋放曲線(圖3E-H)。

圖3 Ir1@FA@MOFs納米平臺的構建與表征。(A) 納米平臺構建示意圖。(B-D) TEM圖像、元素映射和DLS粒徑。(E-H) 在模擬TME條件(酸性、ROS、缺氧)下的藥物釋放曲線和TEM形貌變化
(4)Ir1@FA@MOFs介導的光動力治療破壞MDA-MB-231細胞中的氧化還原平衡
基于先前的研究成果,證明了Cu(II)介導的從氧依賴性II型光動力途徑向耐缺氧I型光動力途徑的轉變,采用了三種互補的ROS檢測方法來量化Ir1@FA@MOFs的藥效動力學作用。Ir1@FA@MOFs在光照下表現(xiàn)出劑量依賴性的ROS生成。在缺氧條件下也觀察到顯著的ROS生成,表明其具有雙氧適應性(圖4A-B)。使用?OH選擇性HPF和O2?–靶向二氫乙錠 (DHE) 探針實現(xiàn)了ROS種類特異性的時空分辨率。共聚焦顯微鏡證實了?OH和O2?–的升高(圖4C、E)。流式細胞術定量分析顯示在常氧條件下?OH和O2?–分別增加了1.5倍和1.6倍,在缺氧條件下分別增加了1.4倍和2.0倍(圖4D-F)。證明了Ir1@FA@MOFs的雙途徑機制:1)Cu(II)通過配體-金屬電荷轉移和芬頓反應增強I/II型ROS的生成;2)硫醇耗竭介導的抗氧化防御抑制。這種組合策略有效地破壞了氧化還原穩(wěn)態(tài),同時減輕了缺氧誘導的光動力治療(PDT)耐藥性。

圖4 Ir1@FA@MOFs在缺氧細胞中誘導Type I ROS的生成。(A-F) 共聚焦熒光成像和流式細胞術
(5)Ir1@FA@MOFs介導的光動力治療(PDT)誘導銅死亡、鐵死亡和PAN凋亡
TEM 分析表明,在缺氧條件下,Ir1@FA@MOFs介導的 PDT 在 MDA-MB-231 細胞中引起明顯的線粒體腫脹和細胞質空泡化(圖5A)。在缺氧條件下,5,5′,6,6′-四氯-1,1′,3,3′-四乙基苯并咪唑并羰花青碘化物 (JC-1) 染色和流式細胞術分析顯示,在接受 PDT 治療的細胞中,線粒體幾乎完全去極化(94.7% 的細胞ΔΨm塌陷,而對照組為 0.3%),并伴有細胞腫脹(圖5B-D)。為了闡明Ir1@FA@MOFs介導的光動力治療(PDT)的潛在機制,采用了細胞死亡特異性阻斷劑,包括銅死亡(四硫鉬酸銨;ATTM)、鐵死亡(Ferrostatin-1;Fer-1)、壞死性凋亡(Necrostatin-1;Nec-1)、焦亡(Necrosulfonamide;NSA)、凋亡(Z-VAD-FMK)和自噬(3-甲基腺嘌呤;3-MA)的抑制劑。在缺氧條件下,細胞活力挽救效率依次為:ATTM > Fer-1 > Nec-1 > NSA > Z-VAD-FMK,其中3-MA的作用可忽略不計。常氧條件下的反應也呈現(xiàn)出類似的趨勢(圖5E)。此外,缺氧條件下的蛋白質印跡分析量化了關鍵的生物標志物,包括銅死亡中鐵氧還蛋白 1(FDX1)的減少和二氫硫辛酰胺 s-乙酰轉移酶(DLAT;脂?;笖?shù))的降低(圖5F),鐵死亡標志物谷胱甘肽過氧化物酶 4(GPX4)表達降低(圖5G);壞死性凋亡關鍵蛋白 MLKL(Ser358)磷酸化水平升高(圖5H);焦亡執(zhí)行蛋白 GSDMD-NT(31 kDa)剪切片段增加(圖5I);凋亡效應分子 Caspase-3(17/19 kDa)活化上調(diào)(圖5J)。上述結果表明,Ir1@FA@MOFs介導的 PDT 通過在常氧和缺氧條件下協(xié)同激活多種細胞死亡途徑來誘導銅死亡、鐵死亡和PAN死亡。

圖5 Ir1@FA@MOFs-PDT協(xié)同誘導多模式程序性細胞死亡。(A) 透射電鏡圖像 (B, C) JC-1染色。(D) 共聚焦顯微鏡圖。(E) 多種RCD抑制劑實驗顯示,銅死亡抑制劑(ATTM)和鐵死亡抑制劑(Fer-1)等能顯著挽救細胞活性。(F-J) Western Blot實驗。(K)Ir1 @ FA @ MOFs在光照下導致多模態(tài)細胞死亡的作用機制示意圖
(6)Ir1@FA@MOFs介導的光動力治療(PDT)誘導ICD
共聚焦顯微鏡、流式細胞術和蛋白質印跡分析表明,Ir1@FA@MOFs介導的 PDT 在常氧和缺氧條件下均誘導劑量依賴性 DAMP 調(diào)節(jié)(圖6A-E)。在缺氧條件下,Ir1@FA@MOFs介導的 PDT 引起 HMGB1 易位(與未處理的對照組相比,核 HMGB1 減少 0.37 倍)、CRT 暴露(表面 CRT 水平增加 1.2 倍)和 ATP 分泌(缺氧條件下細胞外 ATP 升高 2.5 倍)(圖6A-F)??傊琁r1@FA@MOFs介導的 PDT 通過線粒體損傷驅動的銅死亡、鐵死亡和PAN凋亡的融合,在常氧和缺氧環(huán)境下協(xié)調(diào) ICD,缺氧增強的功效源于氧化還原循環(huán)放大的致死級聯(lián)通過多模式應激整合來啟動抗腫瘤免疫。

圖6 Ir1@FA@MOFs-PDT誘導腫瘤細胞發(fā)生免疫原性細胞死亡(ICD)。(A-E) 免疫熒光、流式細胞術和Western Blot。(F) ATP檢測試劑盒測量顯示胞外ATP濃度顯著升高
(7)Ir1@FA@MOFs介導的光動力治療誘導的轉錄組改變
進行 RNA 測序以系統(tǒng)地評估缺氧條件下Ir1@FA@MOFs介導的 PDT 對轉錄組的影響。主成分分析(PCA)顯示 PDT 治療組和對照組之間存在明顯的聚類關系,表明數(shù)據(jù)具有高度一致性和可重復性(圖7A)。差異基因表達分析發(fā)現(xiàn),在處理過的樣本中,有 251 個基因顯著上調(diào),757 個基因下調(diào)(|log2FC|> 1,p<0.05;圖7B)。京都基因與基因組百科全書(KEGG)富集分析突出顯示了 52 條免疫相關途徑,代表最豐富的功能類別(圖7C)。在排名前 10 位的上調(diào)途徑中,關鍵的免疫調(diào)節(jié)過程被顯著激活,包括中性粒細胞胞外陷阱形成、白細胞介素 17(IL-17)信號傳導和腫瘤壞死因子(TNF)信號通路(圖7D)?;蚣患治?(GSEA) 證實,Ir1@FA@MOFs介導的光動力治療 (PDT) 通過協(xié)同上調(diào)凋亡、壞死性凋亡和焦亡途徑誘導PAN凋亡 (PANoptosis)。這種多模式細胞死亡機制伴隨著大量的 ROS 生成和 GSH 耗竭,表明細胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)嚴重紊亂。Ir1@FA@MOFs介導的 PDT 通過激活 B 細胞的核因子 κ 輕鏈增強子 (NF-κB) 和 IL-17 通路激活 TNF-α 信號傳導來增強促炎免疫反應。同時,觀察到白細胞介素 2 信號轉導和轉錄激活因子 5 (IL2-STAT5) 信號軸的下調(diào),表明調(diào)節(jié)性 T 細胞 (Treg) 成熟和分化受到抑制,這可能會減輕 TME 內(nèi)的免疫抑制 (圖 7E )。上述結果表明,Ir1@FA@MOFs介導的 PDT 發(fā)揮多方面的作用,包括通過線粒體損傷和氧化還原失衡誘導 PANoptosis、激活促炎免疫信號通路和重塑免疫抑制 TME。

圖7 轉錄組學分析揭示Ir1@FA@MOFs-PDT對細胞信號通路的系統(tǒng)性調(diào)控。 (A) 主成分分析(PCA)顯示,PDT治療組與對照組在基因表達譜上呈現(xiàn)顯著分離,表明治療引起了全局性的、可重復的轉錄本變化。 (B) 火山圖直觀展示了PDT治療后顯著上調(diào)(251個)和下調(diào)(757個)的差異表達基因(DEGs)。 (C, D) KEGG通路分類與富集分析表明,差異基因主要富集于免疫相關通路,其中中性粒細胞胞外誘捕網(wǎng)形成、IL-17和TNF等關鍵促炎信號通路被顯著激活。 (E) 基因集富集分析(GSEA)從通路層面證實,PDT治療顯著激活了與PAN凋亡(凋亡、壞死、焦亡)、活性氧生成及TNF-α/NF-κB等關鍵生物學過程相關的基因集
(8)Ir1@FA@MOFs介導的光動力治療(PDT)抑制腫瘤生長并增強免疫激活
建立小鼠單側移植瘤模型,系統(tǒng)評估Ir1@FA@MOFs介導的光動力治療(PDT)的抗腫瘤療效(圖8A)。定量分析顯示,Ir1@FA@MOFs-PDT組腫瘤抑制率約為50.86%,顯著高于順鉑對照組約37.36%的抑制率(圖8B、D )。值得注意的是,在未接受光激活的Ir1@FA@MOFs的暗對照組中,未檢測到統(tǒng)計學上顯著的腫瘤抑制,證實了光依賴性治療機制。所有實驗組在整個治療過程中體重均保持穩(wěn)定,表明治療相關的全身毒性極?。▓D8C)。多模態(tài)組織學分析(免疫組織化學(IHC)和免疫熒光(IF))顯示Ir1@FA@MOFs -PDT組和順鉑組均出現(xiàn)廣泛的腫瘤損傷(圖8E)。具體而言,Ir1@FA@MOFs -PDT誘導增殖抑制(增殖細胞核抗原(PCNA),圖8F),銅死亡激活(FDX1,圖8G),鐵死亡激活(GPX4,圖8I)和PANoptosis誘導(裂解的caspase-3,磷酸化的混合譜系激酶結構域樣蛋白(p-MLKL)裂解的GSDMD圖8H)。相反,順鉑治療特異性上調(diào)了裂解的caspase-3,而其他細胞死亡模式標志物不受影響,進一步證實了順鉑的凋亡顯性細胞死亡機制。IF分析顯示,在用Ir1@FA@MOFs-PDT治療的腫瘤中,鈣網(wǎng)蛋白(CRT)膜易位增強,這是ICD的標志(圖8J)。同時,這種治療方式引發(fā)了強大的細胞毒性免疫激活,其特征是成熟樹突狀細胞(DC)從2.3%顯著增加到5.66%(p<0.01;圖8M ),腫瘤內(nèi)CD8+T細胞浸潤幾乎增加了一倍(7.0%vs 13.2%,p<0.01;圖8N)。這些免疫刺激作用通過效應分子的上調(diào)表達得到進一步放大:免疫組織化學顯示顆粒酶B(GZMB)(一種細胞毒性T淋巴細胞衍生的絲氨酸蛋白酶)的誘導,而干擾素-γ(IFN-γ)(一種協(xié)調(diào)抗腫瘤免疫的多效性細胞因子)顯示出增加(圖 8K-L)。結果表明,Ir1@FA@MOFs介導的光動力治療不僅通過多種死亡途徑直接消滅腫瘤細胞,而且還重塑了免疫抑制性TME,表明其作為組合治療策略的潛力。

圖8 Ir1@FA@MOFs-PDT在體內(nèi)抑制腫瘤生長并激活抗腫瘤免疫。(B-D) 腫瘤生長曲線、小鼠體重曲線及實體瘤照片。(E-L) 腫瘤組織切片的H&E、免疫組化和免疫熒光染色。(M, N) 流式細胞術
本文設計了一個 TME 自適應納米平臺 ( Ir1@FA@MOFs ),該平臺帶有“AND 邏輯”門,具有 Cu(II) 介導的 GSH 響應光動力開關,其中配位穩(wěn)定的電子轉移可實現(xiàn)耐缺氧的 I 型光敏化,而 消耗GSH驅動的 TME 重編程與氧獨立的免疫原性級聯(lián)產(chǎn)生協(xié)同作用。Ir1 @FA@MOF通過線粒體不穩(wěn)定來協(xié)調(diào)多模式細胞死亡,包括銅死亡、鐵死亡和PAN凋亡。在小鼠 4T1 乳腺癌模型中,Ir1@FA@MOF表現(xiàn)出強大的腫瘤抑制作用,同時將免疫學上“冷”的腫瘤轉化為以細胞毒性淋巴細胞浸潤為標志的促炎熱點。該研究建立了一種范式轉換策略,利用金屬配位化學實現(xiàn) TME 響應的光動力機制轉換,有效地繞過了傳統(tǒng) PDT 的局限性。
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