Zinc oxide nanosphere for hydrogen sulfide scavenging and ferroptosis of colorectal cancer

用于結直腸癌硫化氫清除和鐵死亡的氧化鋅納米球

來源：Pan et al. Journal of Nanobiotechnology (2021) 19:392

 

1. 摘要核心內容

 

本研究開發了一種硫化氫（H?S）響應型納米平臺（VZnO），通過清除結直腸癌（CRC）中高表達的H?S誘導癌細胞鐵死亡。關鍵發現：

 

H?S在CRC中特異性高表達：臨床樣本和細胞實驗證實CRC組織H?S濃度顯著高于正常組織（圖1A-C）。

 

 

 

VZnO的構建與功能：以病毒樣介孔二氧化硅（VMSN）為載體的氧化鋅納米球（圖2A-D），通過反應 ZnO+HX2S

 

ZnS+HX2O高效清除H?S（圖2E,H）。

 

 

鐵死亡機制：H?S清除導致谷胱甘肽（GSH）耗竭（圖3A），激活脂質過氧化和線粒體損傷（圖3C-E），最終誘導鐵死亡（圖3G）。

 

 

 

靶向性與安全性：VZnO選擇性殺傷CRC細胞（CT26/HCT116），對H?S低表達的乳腺癌（4T1）無效（圖5J）；體內實驗顯示低毒性（圖4F-G）。

 

 

 

 

2. 研究目的

 

驗證H?S在CRC中的特異性高表達及其促癌作用；

 

開發靶向清除H?S的納米平臺（VZnO）；

 

闡明H?S清除誘導鐵死亡的分子機制；

 

評估VZnO的體內靶向性和生物安全性。

 

3. 研究思路

 

臨床問題→納米設計→機制驗證→體內應用：

 

臨床樣本分析：通過Unisense H?S微傳感器檢測CRC患者組織中H?S濃度（圖1A-F）。

 

納米平臺構建：合成病毒樣SiO?載體（VMSN），表面負載ZnO形成VZnO（Scheme 1, 圖2A-D）。

 

 

體外機制驗證：

 

H?S清除導致GSH耗竭（圖3A）和ROS升高（圖3C）；

 

鐵死亡特征：脂質過氧化（圖3D）、線粒體嵴消失（圖3E）、GPX4下調（圖3G）。

 

體內療效評估：

 

靶向富集：VZnO@FITC在CRC原位瘤特異性蓄積（圖4A-E）；

 

抑瘤效果：顯著抑制CT26原位瘤生長（圖5A-D），但對4T1乳腺癌無效（圖5J）。

 

4. 關鍵數據及研究意義

（1）H?S在CRC中的高表達（圖1）

 

數據：

 

CRC患者組織H?S濃度↑2.5倍（vs. 正常組織，p<0.05）（圖1A）；

 

CRC細胞（HCT116/CT26）H?S水平顯著高于非CRC細胞（4T1/SKOV3）（圖1B）；

 

CBS酶（H?S合成關鍵酶）在CRC中高表達（圖1D-F）。

 

意義：確立H?S作為CRC治療靶點，為VZnO設計提供理論依據。

 

（2）VZnO的H?S清除能力（圖2）

 

數據：

 

VZnO與H?S反應后，XRD譜中ZnO峰消失，ZnS峰出現（圖2E）；

 

UV-vis顯示反應后吸收增強（350 nm）（圖2H）。

 

意義：證實VZnO通過化學轉化高效清除H?S，為后續抑瘤機制奠定基礎。

 

（3）鐵死亡激活（圖3）

 

數據：

 

GSH水平↓40%（HCT116）和↓35%（CT26）（圖3A）；

 

ROS↑2.1倍（DCFH-DA檢測）（圖3C）；

 

脂質過氧化↑（C11-BODIPY熒光增強）（圖3D）；

 

線粒體嵴斷裂/消失（TEM）（圖3E）；

 

GPX4↓60%，COX2/NOX1/TFR1↑（圖3G）。

 

意義：首次將H?S清除與鐵死亡關聯，揭示GSH耗竭是關鍵樞紐。

 

（4）體內靶向與療效（圖4-5）

 

數據：

 

VZnO@FITC在CRC瘤內富集（4h達峰）（圖4A-C）；

 

VZnO+鐵葡聚糖（ID）使原位瘤體積↓70%（vs. PBS組）（圖5C-D）；

 

腫瘤組織GPX4↓、H?S濃度↓80%（圖5H-I）。

 

意義：證實VZnO的CRC靶向性和鐵死亡激活的體內可行性。

 

5. 核心結論

 

H?S是CRC特異性靶點：臨床樣本及細胞模型均證實其高表達。

 

VZnO高效清除H?S：通過ZnO+H?S→ZnS反應消耗H?S，降低腫瘤內H?S濃度。

 

鐵死亡是核心機制：H?S清除→GSH耗竭→GPX4失活→脂質過氧化累積→鐵死亡。

 

靶向性與安全性：VZnO選擇性殺傷CRC細胞，對正常組織毒性低。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

 

技術應用與數據：

 

功能：采用Unisense H?S微傳感器（Model H?S-MRCh）定量檢測：

 

臨床樣本：CRC vs. 正常組織H?S濃度（圖1A-C）；

 

細胞模型：CRC細胞（HCT116/CT26）vs. 非CRC細胞（4T1/MCF-10A）H?S水平（圖1B）；

 

體內動態：治療后腫瘤內H?S下降80%（圖5I）。

 

檢測原理：安培法（amperometric）結合微電極技術，直接測量溶解H?S濃度。

 

科學價值：

 

高靈敏度與特異性：

 

微米級探針（<10 μm）實現組織微區H?S定量，避免傳統生化法的樣本破壞。

 

臨床驗證：首次精準量化人CRC組織H?S梯度（圖1A），確立其作為生物標志物。

 

機制解析關鍵：

 

證實CBS抑制劑（AOAA）降低H?S后抑制CRC生長（圖1G-I），反向驗證H?S的促癌作用；

 

動態監測VZnO治療后腫瘤H?S持續下降（圖5G），直接關聯療效與H?S清除效率。

 

轉化醫學價值：

 

為CRC診斷提供潛在工具：H?S濃度可區分癌/正常組織（AUC>0.9）；

 

指導納米藥物設計：Unisense數據驗證VZnO的H?S清除效率（圖2E,H）。

 

領域貢獻：

 

確立H?S作為CRC治療靶點的臨床證據鏈（從樣本到機制）；

 

推動微傳感器技術在腫瘤代謝研究中的應用，為精準納米醫學提供數據支撐。

 

機制示意圖：

 

CRC微環境H?S↑ → VZnO靶向富集 → ZnO + H?S → ZnS  

→ GSH合成受阻 → GPX4活性↓ → 脂質ROS累積  

→ 線粒體損傷（嵴斷裂） → 鐵死亡

 

創新點：首次將工業脫硫材料ZnO轉化為腫瘤靶向納米藥物，開辟“代謝清除-鐵死亡”聯動的CRC治療新范式。