研究簡介:結(jié)直腸癌傳統(tǒng)療法存在系統(tǒng)毒性和療效不足的挑戰(zhàn)。新興證據(jù)表明，分子氫（H?）可通過抑制增殖和誘導(dǎo)“腫瘤休眠”表型（以細(xì)胞周期阻滯和代謝靜息為特征）來發(fā)揮抗腫瘤作用?；诖?，本研究設(shè)計(jì)的PMA納米系統(tǒng)能夠在650納米激光照射下，利用腫瘤微環(huán)境中富含的乳酸和谷胱甘肽（GSH）作為犧牲劑，通過光催化水分解反應(yīng)實(shí)現(xiàn)時空可控的H?生成。本論文報(bào)道了一種針對結(jié)直腸癌的新型納米治療策略。該研究通過構(gòu)建一種鉑摻雜的單原子金屬有機(jī)框架（PM），并將其與抗炎藥物5-氨基水楊酸（5-ASA）結(jié)合形成PMA納米平臺，實(shí)現(xiàn)了光控產(chǎn)氫誘導(dǎo)腫瘤休眠與催化活性氧（ROS）風(fēng)暴殺傷的雙重治療模式。生成的H?與釋放的5-ASA協(xié)同抑制NF-κB信號通路，從而將腫瘤從增殖狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷ρ趸€原敏感的“休眠”狀態(tài)。這種休眠狀態(tài)使腫瘤細(xì)胞更容易受到后續(xù)治療的攻擊。

在初次光照約8小時后，納米材料在腫瘤微環(huán)境中降解并釋放出光敏劑原卟啉。此時進(jìn)行第二次激光照射，可引發(fā)強(qiáng)烈的ROS爆發(fā)，選擇性清除已處于脆弱狀態(tài)的休眠腫瘤細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)催化治療。研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)的材料表征（如TEM、XPS、XRD）驗(yàn)證了PMA的成功合成與穩(wěn)定性。體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，該平臺具有良好的生物相容性和高效的H?生成能力。在CT-26荷瘤小鼠模型中，PMA聯(lián)合雙次光照治療方案顯示出顯著的抗腫瘤效果，腫瘤體積減少約90%，并有效重塑了免疫抑制性腫瘤微環(huán)境。機(jī)制研究表明，H?通過調(diào)節(jié)ACLY、CKS2、CDC34、CDK7和c-MYC等關(guān)鍵細(xì)胞周期蛋白，誘導(dǎo)了持續(xù)的增殖停滯。本論文研究將單原子催化劑用于精準(zhǔn)催化H?生成，并與免疫調(diào)節(jié)相結(jié)合，提出了一種通過協(xié)調(diào)細(xì)胞周期控制和微環(huán)境重編程來攔截腫瘤進(jìn)展的新框架，為結(jié)直腸癌的精準(zhǔn)催化治療提供了新范式。

Unisense微電極分析系統(tǒng)的應(yīng)用

利用Unisense微電極對PMA納米顆粒的產(chǎn)氫過程進(jìn)行了精確的定量分析，在體外實(shí)驗(yàn)中，研究人員將PMA納米顆粒與作為犧牲劑的乳酸或谷胱甘肽（GSH）共同孵育，并用650納米激光照射。同時，將Unisense氫微電極插入反應(yīng)體系，每秒自動記錄一次氫濃度的變化。這種方法直接證實(shí)了PMA能夠利用腫瘤微環(huán)境中的內(nèi)源性物質(zhì)有效地產(chǎn)氫，并精確繪制了產(chǎn)氫動力學(xué)曲線。在動物模型（攜帶CT-26腫瘤的BALB/c小鼠）中，Unisense微電極的應(yīng)用更為關(guān)鍵。研究人員通過尾靜脈或瘤內(nèi)注射PMA后，將小鼠麻醉，將氫微電極直接插入腫瘤組織內(nèi)部。通過這種原位、在體的檢測方式，他們成功實(shí)現(xiàn)了對活體腫瘤局部H?濃度的實(shí)時監(jiān)控，并記錄了在固定時間點(diǎn)（如注射后0、2、4、8小時）的氫濃度變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，H2通過抑制NF-κB信號通路誘導(dǎo)腫瘤休眠，在結(jié)直腸癌中展現(xiàn)出治療潛力，從而帶來了新的治療前景。將可見光激活的SACs與5-氨基水楊酸結(jié)合，用于H2生成，協(xié)同觸發(fā)腫瘤凋亡并重塑腫瘤微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)效的腫瘤生長抑制。通過氧化還原調(diào)節(jié)，PMA緩解T細(xì)胞耗盡，增強(qiáng)腫瘤免疫抑制，有效抑制惡性增殖。從機(jī)制上看，H2可能通過線粒體內(nèi)膜重塑和增殖相關(guān)激酶的調(diào)控來協(xié)調(diào)氧化還原穩(wěn)態(tài)。在BALB/c小鼠模型中，PMA給藥顯著減少腫瘤體積（對照組90%，p<0.0001），并增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞凋亡，驗(yàn)證其治療效果。這一基于SAC的策略為結(jié)直腸癌管理建立了新范式，通過氫氣療法和SACs協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境動態(tài)和免疫反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)腫瘤增生的雙重抑制和選擇性誘導(dǎo)凋亡，為精準(zhǔn)腫瘤學(xué)開辟了變革性方法。

圖1、抑制NF-κB信號調(diào)控相關(guān)通路，重編程腫瘤免疫微環(huán)境，從而誘導(dǎo)腫瘤生長抑制，建立“類休眠”狀態(tài)。

圖2、PMA非必需品的合成與表征。（a）Pt-SAs-MOF 5-ASA合成方案。（b）Pt-SA-MOF 5-ASA非分子的TEM圖像。（c）通過超聲處理實(shí)現(xiàn)PMA的EDS定位。（d）對PMA中Pt單原子進(jìn)行明場高分辨率透射電子顯微鏡。（e，f）PMA的XPS光譜和Pt（4f）的高分辨率XPS光譜。（g）PM和PMA的XRD模式。（h）PM在5-ASA加載前后UV–vis吸收光譜。（i，j）PM和PMA的動態(tài)光散射（DLS）（n=3）。

圖3、體外和體內(nèi)氫氣生成的檢測。（a）催化氫氣生產(chǎn)過程示意圖。（b）材料對氫氣生產(chǎn)的性能測試。（c）材料循環(huán)性能。（d）使用不同基底犧牲劑的氫氣生產(chǎn)速率（n=3）。（e，f）乳酸和GSH作為底物在體外氫產(chǎn)生前后濃度變化（n=3）。（g）模擬體內(nèi)環(huán)境下H2生成性能的變化及卟啉釋放后ROS生成。（h，i）體內(nèi)H2濃度的原位測量（n=3）。（j）H2生成的實(shí)時體內(nèi)監(jiān)測。小鼠腫瘤內(nèi)光催化犧牲劑含量檢測流程圖。（k，l）腫瘤攜帶小鼠治療前后乳酸和GSH作為底物的體內(nèi)濃度變化（n=3）。

圖4、PMA光催化氫的腫瘤微環(huán)境調(diào)控。（a）三種不同細(xì)胞系（CT-26、HCT116和4T1）中PM、PMA和5-ASA的細(xì)胞毒性評估（b）裝載羅達(dá)敏B標(biāo)記PMA（50微米尺）細(xì)胞的吞噬分析。（n=5）。（c）巨噬細(xì)胞Raw246.7和CT-26細(xì)胞氫氣生產(chǎn)測定流程圖。（D–F）巨噬細(xì)胞Raw246.7在納米材料培養(yǎng)后炎癥因子的變化（n=3）。（G–i）用納米材料培養(yǎng)后CT-26細(xì)胞炎癥因子的變化以產(chǎn)生氫氣。（J–L）評估雙重照射策略在CT-26、HCT116和4T1細(xì)胞（n=5）中的細(xì)胞層面治療療效。（m）通過流式細(xì)胞術(shù)測量了細(xì)胞存活率和雙重照射策略的存活率。（n=3）。其中包括：IO：照射一次，IT：照射兩次，PMIO：PMA+照射一次，PMAIO：PM+照射一次，PMIT：PM+照射兩次，PMAIT：PM+照射兩次。數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)差±均值表示。

圖5、通過PMA對NF-κB信號通路進(jìn)行時空調(diào)控。（a）細(xì)胞轉(zhuǎn)染后用NF-kB熒光素酶報(bào)告質(zhì)粒檢測化學(xué)發(fā)光（n=3）。（b）在不同時間點(diǎn)（n=3）檢測到NF-κB表達(dá)。（c）單次照射H2生成及藥物負(fù)載光調(diào)制后NF-κB蛋白動力學(xué)的Western blot分析。（d）驗(yàn)證在雙重照射策略和休眠誘導(dǎo)后重新照明細(xì)胞時的ROS產(chǎn)生，比例尺條：100微米。（e）PD-L1表達(dá)水平的流式細(xì)胞術(shù)分析，并得出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（n=3）。（f）ATP濃度變化（n=3）。（g）ELISA檢測HMGB1蛋白水平變化（n=3）。（h）來自指示組mRNA測序處理樣本的熱圖（n=3）。（i）京都基因與基因組百科全書（KEGG）通過途徑分類，用于揭示上述差異表達(dá)基因受影響的途徑（前12名）。（j，k）細(xì)胞周期有絲分裂和有絲分裂G1期及G1S轉(zhuǎn)變的富集結(jié)果（n=3）。其中包括IO：一次照射，PMIO：PM+照射一次，以及PMAIO：PMA+照射一次。

結(jié)論與展望

本論文成功開發(fā)并驗(yàn)證了一種名為PMA的納米生物催化劑，它通過誘導(dǎo)腫瘤休眠與催化活性氧（ROS）風(fēng)暴的協(xié)同作用，為結(jié)直腸癌治療提供了一種創(chuàng)新且有效的雙模態(tài)治療策略。研究證實(shí)基于鉑單原子催化劑（SACs）的PMA納米平臺能夠在可見光（650 nm激光）照射下，利用腫瘤微環(huán)境（TME）中的內(nèi)源性物質(zhì)（如乳酸、谷胱甘肽）作為犧牲劑，實(shí)現(xiàn)時空可控的氫氣（H?）生成。所產(chǎn)生的H?通過抑制關(guān)鍵的NF-κB信號通路，有效地將活躍的腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)樵鲋惩⒋x靜息的“休眠樣”狀態(tài)。這種休眠狀態(tài)并非終點(diǎn)，而是使腫瘤細(xì)胞對氧化應(yīng)激的敏感性顯著增加，為后續(xù)的精準(zhǔn)打擊創(chuàng)造了條件。本研究不僅提出了“先誘導(dǎo)休眠，后精準(zhǔn)清除”的腫瘤治療新范式，還展示了單原子催化劑在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是氣體治療中的巨大應(yīng)用價值。它將納米催化劑的精準(zhǔn)催化功能與免疫調(diào)節(jié)相結(jié)合，為干預(yù)腫瘤進(jìn)展提供了一個通過協(xié)調(diào)細(xì)胞周期控制和微環(huán)境重編程的創(chuàng)新框架。盡管該策略對淺表腫瘤效果顯著，但對于深部腫瘤，未來或可探索通過光纖導(dǎo)入或X射線激活等minimally invasive方式來實(shí)現(xiàn)體內(nèi)催化反應(yīng)。Unisense微電極作為一種高精度、實(shí)時的氣體濃度檢測工具，對驗(yàn)證PMA納米平臺在體內(nèi)外的時空可控產(chǎn)氫能力起到了至關(guān)重要的作用。Unisense微電極提供的直接、實(shí)時的氫濃度數(shù)據(jù)，是證明PMA納米平臺能否按設(shè)計(jì)在復(fù)雜生物環(huán)境中工作的最有力證據(jù)。它證實(shí)了“雙次光照”策略的合理性——首次光照可引發(fā)顯著的H?生成。Unisense微電極監(jiān)測到的H?動力學(xué)曲線與材料降解、藥物釋放的時間點(diǎn)高度吻合，幫助研究者清晰地勾勒出完整的治療鏈條：產(chǎn)氫誘導(dǎo)休眠→材料降解釋放光敏劑→再次光照產(chǎn)生ROS清除休眠細(xì)胞。本研究工作為結(jié)直腸癌的精準(zhǔn)催化治療開辟了新的道路。