原位构建异质结调控铜载体生物降解行为，实现肿瘤特异性铜死亡增强超声免疫治疗

时间：2025年3月26日

来源：Journal of Nanobiotechnology

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为解决铜离子释放不可控问题，海军军医大学等研究人员开展 Cu-MOF 调控 Cu₂O 纳米材料研究，发现能增强治疗效果，意义重大。

肿瘤治疗新突破：原位构建异质结实现精准抗癌

在肿瘤治疗的漫长征程中，癌症的复发和转移一直是高悬在患者头顶的达摩克利斯之剑，严重威胁着患者的生命健康。传统的放疗和化疗，如同在战场上横冲直撞的莽夫，在攻击癌细胞的同时，也对正常组织造成了极大的伤害，副作用显著。免疫疗法虽然巧妙地借助人体自身免疫系统来对抗肿瘤，但肿瘤微环境（TME）这个狡猾的 “敌人”，却筑起了重重防线，阻碍了免疫细胞对肿瘤细胞的攻击。其中，“冷肿瘤” 的免疫抑制性微环境更是让免疫疗法举步维艰，肿瘤抗原匮乏、T 细胞浸润不足，使得肿瘤细胞得以轻松逃脱免疫系统的监视。

为了突破这些困境，研究人员不断探索新的治疗策略。近年来，像铁死亡、铜死亡和坏死性凋亡等新型程序性细胞死亡方式进入了人们的视野。铜死亡（Cuproptosis）作为一种独特的细胞死亡机制，依赖铜离子发挥作用，为肿瘤治疗带来了新的希望。然而，目前铜死亡介导的肿瘤治疗面临着诸多挑战。一方面，铜离子的释放难以精准控制，在正常组织中积累会带来安全隐患；另一方面，肿瘤微环境中丰富的谷胱甘肽（GSH）会干扰铜离子与脂酰化分子的结合，降低铜离子诱导的毒性效果。同时，铜基纳米材料的生物降解特性也难以调控，非特异性降解无法实现肿瘤特异性铜死亡，而非降解性又限制了治疗效率。

在这样的背景下，海军军医大学、江苏大学、上海大学、浙江海洋大学等机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们致力于利用铜金属有机框架（Cu-MOF）作为保护层，精准调控 Cu₂O 纳米材料的生物降解行为，进而实现肿瘤特异性铜死亡增强的超声免疫治疗。该研究成果发表在《Journal of Nanobiotechnology》杂志上，为肿瘤治疗开辟了新的道路。

在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，通过温和沉淀法合成了 Cu₂O 纳米立方体，再将其与 2,3,6,7,10,11 - 六羟基三亚苯基（HHTP）结合制备出具有核壳结构的 CMC 纳米颗粒。利用透射电子显微镜（TEM）、动态光散射（DLS）、X 射线衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）等技术对材料的结构和组成进行了全面表征。采用二苯基苦味酰基肼自由基（DPBF）、二氢罗丹明 123（DHR123）等作为探针，评估材料的超声动力（SDT）和化学动力（CDT）性能。借助细胞实验和动物实验，深入探究材料的抗肿瘤效果、作用机制以及体内免疫反应。

研究结果

CMC 的合成与结构表征：通过温和沉淀法成功合成了尺寸约 90nm 的 Cu₂O 纳米立方体，进一步制备的 CMC 纳米颗粒呈现出明显的核壳结构，其表面均匀包裹着一层约 20nm 厚的物质，尺寸增大至约 130nm。多种表征技术证实了 Cu₂O 纳米立方体和 CMC 异质结的成功制备，且 Cu-MOF 的包裹增强了 Cu₂O 纳米立方体的稳定性。
异质结增强的 SDT 和 CDT 性能：以 DPBF 为 ROS 探针的实验表明，CMC 的 ROS 生成速率达到 0.15 min^-1，是 Cu₂O（0.1 min^-1）的 1.5 倍，展现出卓越的超声动力性能。分析其能带结构发现，电子从 Cu-MOF 的导带转移到 Cu₂O 的价带，形成的 Z 型异质结有效抑制了电子 - 空穴对的复合，提高了 SDT 性能。在化学动力性能方面，CMC 在不同 pH 条件下均表现出比 Cu₂O 更高的・OH 生成效率，且在 pH 7.4 时，Cu-MOF 涂层有效避免了 Cu₂O 在正常细胞中的 CDT 效应。此外，CMC 具有强大的 GSH 消耗能力，成功克服了肿瘤微环境中 GSH 介导的耐药性。
CMC 的 pH 响应性生物降解行为：透析实验显示，Cu₂O 在 20min 内开始降解，90min 时几乎完全降解；而 CMC 在最初两天保持稳定，之后逐渐降解。TEM 图像和 XRD、XPS 分析表明，Cu-MOF 涂层减缓了 Cu₂O 在酸性条件下的降解过程，其降解机制主要是 Cu⁺被氧化为 Cu²⁺。在正常生理条件下，Cu-MOF 涂层有效阻止了 CMC 的降解，避免了对正常组织的损伤。
CMC 的体外抗肿瘤疗效：细胞实验表明，CMC 在 4T1 细胞中的摄取效果良好，且对正常 LO2 细胞的毒性较低，而对 4T1 细胞具有较高的细胞毒性。活 / 死细胞染色和 ROS 检测结果显示，CMC 联合超声照射（CMC + US）展现出显著的协同治疗效果，能够有效诱导 4T1 细胞死亡，其机制与增强的 ROS 生成有关。
CMC 的体外抗肿瘤机制：由于 CMC 中含有 Cu⁺，研究人员探究了其铜死亡介导的抗肿瘤机制。实验发现，Cu₂O 和 CMC 处理均能诱导 4T1 细胞中脂酰化 DLAT 的寡聚化，降低 FDX1 和 LIAS 的水平，影响三羧酸循环（TCA cycle），导致丙酮酸积累。同时，CMC 处理还引起了线粒体结构的破坏和线粒体膜电位的降低，进一步证实了 4T1 细胞发生了铜死亡，且超声照射增强了这种效应。
CMC 体外诱导 ICD 效应：ROS 和铜死亡能够诱导肿瘤细胞发生免疫原性细胞死亡（ICD），释放钙网蛋白（CRT）、高迁移率族蛋白 1（HMGB1）和三磷酸腺苷（ATP）等损伤相关分子模式（DAMPs），激活树突状细胞（DCs），引发适应性免疫反应。实验结果显示，CMC + US 组的 CRT 暴露、HMGB1 释放和 ATP 分泌水平均显著高于其他组，且能有效激活 DCs，增强其表面 CD80 和 CD86 的表达，表明 CMC 能够通过 CDT、SDT 和铜死亡的协同作用触发 ICD 效应。
CMC 的体内抗肿瘤疗效：在体内实验中，ICG 标记的 CMC 静脉注射后在肿瘤部位呈现出明显的荧光信号，表明其能够在肿瘤组织中逐渐积累。构建的双侧肿瘤模型实验结果显示，CMC + US 组对原发性和远处肿瘤的生长抑制效果显著优于其他组，原发性肿瘤在 8 天内完全消除，远处肿瘤生长几乎完全被抑制，小鼠生存期明显延长。组织学分析表明，CMC + US 组的肿瘤细胞凋亡或坏死水平最高，ROS 染色也显示该组在肿瘤中产生了大量 ROS。
体内免疫反应评估：评估肿瘤组织中 CRT、HMGB1 和 ATP 的水平发现，CMC + US 组诱导了更强的 ICD 效应。进一步研究发现，该组中成熟 DCs 的数量显著增加，脾脏和肿瘤中 CD4⁺CD8⁺ T 细胞的数量也明显增多，表明 CMC 介导的联合治疗能够有效激活免疫系统。此外，各项安全性评估实验表明，CMC 具有良好的生物安全性。

研究结论与意义

综上所述，该研究利用 Cu-MOF 作为保护层，成功调控了 Cu₂O 的生物降解过程。原位形成的 Cu-MOF 有效防止了 Cu₂O 纳米立方体在非肿瘤部位的降解，保护了正常组织。肿瘤特异性降解的 Cu₂O 纳米立方体释放出的 Cu⁺，能够激活肿瘤特异性铜死亡和 CDT，同时 Cu²⁺消耗 GSH 引发 ROS 的级联放大。通过提高 ROS 水平和促进高效铜死亡，逆转了免疫抑制性肿瘤微环境，实现了肿瘤的精准治疗。

这项研究为肿瘤治疗提供了一种全新的策略，将 SDT、CDT、铜死亡和免疫疗法有机结合，为开发更高效、低毒的肿瘤治疗方法奠定了坚实基础，有望在未来的临床肿瘤治疗中发挥重要作用，为广大肿瘤患者带来新的希望。