研究簡介:蘋果酸鹽在腫瘤的發生和發育中起著關鍵作用。作為關鍵的代謝中間體，蘋果酸參與細胞能量代謝和酸堿穩態。研究表明，蘋果酸鹽不僅影響細胞生長和凋亡，還調節細胞周期，并在腫瘤細胞的能量代謝中發揮促進作用。在腫瘤微環境中，蘋果酸鹽濃度的變化可能影響腫瘤細胞的代謝狀態和增殖能力，進一步促進其存活和轉移。蘋果酸鹽/天冬氨酸穿梭對于維持線粒體膜電位（MMP）以及支持腫瘤代謝和存活至關重要。然而開發有效且可控的策略以在體內控蘋果酸鹽代謝仍是一大挑戰。本文我們報告了一種聲源激活的蘋果酸鹽耗竭調制劑（MDM），GO/BCT：Mn，它將石墨烯氧化物（GO）與Ca/Mn共摻雜鋇鈦酸鹽（BCT：Mn）納米顆粒整合，實現在超聲刺激下同時代謝和免疫調節。機制性研究表明，超聲波會觸發GO/BCT：Mn中的空間電荷分離，產生還原電子和氧化空穴。電子驅動H+還原為H2，降低MMP并產生氣體治療效果，而氧化空洞則將NADH轉化為NAD+，抑制蘋果酸鹽合成并破壞蘋果酸/天冬氨酸穿梭，從而損害線粒體完整性。這些協同作用可誘導線粒體去極化、自噬和凋亡。在小鼠結腸癌模型中，GO/BCT：Mn治療顯著抑制腫瘤細胞增殖（Ki67）和血管生成（VEGF，CD31），同時促進細胞凋亡（TUNEL，Caspase-3）。轉錄組學和流式細胞術分析進一步顯示免疫相關通路的激活，伴隨著CD4+/CD8+T細胞和成熟樹突狀細胞的浸潤增加，表明代謝擾動協同增強抗腫瘤免疫。

Unisense微電極測定系統的應用

unisense氫電極在研究中被用于精確測量超聲刺激下GO/BCT:Mn納米材料催化產生的氫氣濃度，是驗證其壓電催化還原反應（H?還原為H?）的關鍵設備。配制pH為6的酸性溶液作為反應基礎，隨后將不同的納米材料（GO/BTO,GO/BCT,BCT:Mn,GO/BCT:Mn）分別加入溶液中，形成不同的實驗組。每個盛有溶液的小燒杯都用封口膜密封，以確保超聲刺激過程中產生的氫氣不會逸散。超聲結束后，將unisense氫電極小心地穿過封口膜插入每個燒杯的溶液中。

實驗結論

本研究展示了一種突破性方法，通過創造一種名為GO/BCT：Mn的蘋果酸鹽耗盡調制劑（MDM）的納米配方，有效實現腫瘤代謝重塑。這種獨特的納米配方結合了壓電效應和超聲技術的優勢，通過鈣和錳元素的共摻雜和Go的封裝，引入了一種新的雙重催化機制。這代表了納米技術和腫瘤治療的創新進展，并提供了一種通過直接干擾腫瘤細胞代謝通路來抑制腫瘤生長和增殖的新方法。GO/BCT：Mn MDM通過表面產生的高還原電位和高氧化潛力，有效破壞腫瘤細胞中重要的代謝通路。特別是，GO/BCT：Mn MDM通過將H+還原為H2，有效降低線粒體膜電位，并通過將NADH氧化為NAD+阻斷蘋果酸鹽脫氫，從而阻斷蘋果酸鹽脫氫酶介導的蘋果酸鹽生成，開辟腫瘤細胞凋亡的新途徑。這一獨特作用機制不僅限制了腫瘤的營養吸收和增殖能力，還通過顯著降低腫瘤中蘋果酸鹽含量、抑制腫瘤細胞增殖并激活凋亡途徑，證明了其在腫瘤治療中的高效性和安全性。Balb/c小鼠的體內研究顯示，GO/BCT：Mn MDM不僅有效抑制腫瘤生長，并在40天觀察期內耐受良好，還促進樹突狀細胞和CD4+/CD8+T細胞的浸潤和激活，同時減少免疫抑制群體，共同誘導強健的抗腫瘤免疫反應。這些發現強調了GO/BCT：Mn MDM作為一種多功能納米平臺的治療前景，該平臺整合了代謝干擾與免疫激活，實現腫瘤抑制的協同作用。

圖1、Go/BCT：Mn MDM.a)合成手術方案及壓電催化抗癌方案，GO/BCT：Mn MDM抵達腫瘤部位的作用示意圖。GO/BCT：Mn MDM通過尾靜脈注入小鼠，并通過增強通透性和保留（EPR）效應在腫瘤部位富集。GO/BCT：Mn MDM隨后被腫瘤細胞內吞，并通過溶酶體逃逸進入細胞質。在超聲刺激下，GO/BCT：Mn MDM極化產生電子-空穴對，電子將H+還原為H2，而空穴通過Seebeck效應將NADH氧化為NAD+，阻止OAA轉化為蘋果酸鹽，從而誘導腫瘤細胞凋亡。b)GO/BCT：Mn MDM內部極化示意圖。在超聲刺激下，GO/BCT：Mn MDM內部電子因機械力而發生偏移，形成內置電極，并在其表面形成電子和空穴。c)腫瘤細胞中GO/BCT：Mn的MDM作H+攝入的示意圖。GO/BCT：Mn MDM在超聲刺激下產生的電子將H+還原為H2（反應1），從而降低線粒體膜電位（MMP），進而降低線粒體呼吸鏈復合體I-V的活性，最終誘導腫瘤細胞凋亡。d)GO/BCT：Mn MDM調控蘋果酸鹽在腫瘤代謝中的耗盡的示意圖。超聲刺激下GO/BCT：Mn MDM產生的空洞將NADH氧化為NAD+（反應2），從而抑制OAA轉化為蘋果酸鹽。蘋果酸鹽的耗竭阻斷了蘋果酸鹽/天冬氨酸穿梭通路，降低了MMP和線粒體基質中蘋果酸的濃度，抑制了三羧酸（TCA）循環，從而影響腫瘤細胞的能量代謝效率，最終誘導腫瘤細胞的凋亡。

圖2、石墨烯氧化物/摻鋇鈦酸鈣的合成與表征。a，GO/BCT：Mn.b的合成過程示意圖，球狀GO/BCT：Mn的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。比例條：50 nm。c，GO/BCT：Mn的放大TEM圖像。比例條：20 nm d，GO/BCT：Mn的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像。比例條：10 nm。e，GO/BCT：Mn的高角度環形暗場（HAADF）圖像。比例條：50 nm。f，GO/BCT：Mn的元素映射圖像。比例條：50 nm。合并圖像的下一行從左到右顯示了壓電納米粒子的Ba、Ti、O、Ca和Mng g的元素映射圖像，以及43–47°的放大圖樣（右）。壓電納米顆粒（PZNPs）包括鈦酸鋇（BTO）、氧化石墨烯/鈦酸鋇（GO/BTO）、石墨烯氧化物/鈦酸鋇鈣（GO/BCT）和GO/BCT：Mn.h，X射線光電子光譜（XPS）巡天光譜（XPS）GO/BCT：Mn.i，Go/BCT：Mn.j的Mn2p區域詳細XPS光譜，PZNP和GO的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）光譜（左），以及1500-1900 cm-1的放大倍率（右）。k，PZNPs的拉曼光譜，BTO、BCT：Mn、GO/BCT：Mn和GO的熱重曲線（TG）。內圖顯示了400–600°C的放大圖。