骨肉瘤（OS）是儿童和青少年中最常见的原发性恶性肿瘤，由于其侵袭性行为和高肺转移倾向，它代表了巨大的临床挑战[1]，[2]。尽管多模式治疗（主要是新辅助化疗和根治性手术的组合）取得了显著进展，但与化疗耐药性、肿瘤转移和复发相关的挑战仍然需要解决[3]，[4]。骨肉瘤的转移过程虽然起源于间质组织，但其特征与癌瘤有共同之处，特别是激活了类似于上皮-间质转化（EMT）的程序。EMT使肿瘤细胞具有更强的迁移能力、侵袭性和抗凋亡性，从而促进它们从原发部位逃逸并定植于远端器官[5]，[6]，[7]。因此，揭示EMT的分子驱动因素并开发破坏这一程序的策略对于改善骨肉瘤的预后至关重要。
在寻找新的治疗途径方面，纳米技术已成为肿瘤学中的一个变革性前沿[8]，[9]，[10]，[11]，[12]，[13]。在各种纳米材料中，氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）因其优异的生物相容性、对癌细胞的选择性细胞毒性以及被美国食品药品监督管理局（FDA）认定为“一般公认安全”（GRAS）而受到广泛关注[14]，[15]。然而，关于ZnO NPs对肿瘤转移的治疗效果和机制的深入研究仍然很少，尤其是在骨肉瘤中。我们之前的研究表明，ZnO NPs通过释放Zn2+离子并稳定和上调缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）来选择性地抑制骨肉瘤细胞的增殖和迁移[16]。HIF-1α是细胞对缺氧适应性反应的主要转录调节因子，这是实体瘤微环境的普遍特征。除了在糖酵解和血管生成中的作用外，HIF-1α还是转移的强大促进因子，影响细胞的运动性、侵袭性和EMT[17]，[18]。然而，ZnO NP诱导的HIF-1α在骨肉瘤中发挥抗转移作用的具体下游效应器仍很大程度上尚未明确。
随着对microRNAs（miRNAs）作为基因表达关键转录后调节因子的理解不断加深，它们在癌症生物学中的关键作用得到了广泛认可[19]，[20]。有趣的是，许多miRNA基因在其启动子区域含有缺氧反应元件（HREs），使它们成为HIF-1α的直接转录靶标[21]，[22]。然而，从大量的细胞内miRNAs中识别出哪些特定的HIF-1α调控miRNAs负责介导抗转移效应仍然是一个艰巨的挑战。外泌体是一种天然分泌的纳米囊泡（30–150 nm），来源于内吞作用，最近在细胞间通讯研究中成为焦点[23]，[24]。重要的是，肿瘤来源的外泌体可以将致癌信息（包括miRNAs）水平传递给邻近或远端的细胞，重新编程肿瘤微环境和转移前微环境以促进转移[25]，[26]。相反，这一特性也可以用于治疗目的。外泌体具有低免疫原性、高生物相容性、在循环中的稳定性以及穿越生物屏障的天然能力，使其成为药物递送和疾病特异性生物标志物的理想候选者[27]，[28]。同时，外泌体的分子谱型，特别是其miRNA含量，提供了细胞内调控网络的集中和相关快照，可能比全细胞分析更简化了关键功能miRNAs的识别[22]，[29]。
在这项研究中，我们验证了一种基于生物启发的策略，使用由骨肉瘤细胞分泌的ZnO NP教育的外泌体（称为ZnO-Exos）。这些经过修饰的ZnO-Exos在被受体骨肉瘤细胞内化后，传递一种治疗性分子负载，通过改变细胞内的离子和缺氧信号环境来破坏转移程序。通过基因测序、分子生物学和功能分析，我们确定外泌体miR-1287–5p是一个关键的中介因子。我们进一步描绘了一个完整的信号轴，其中ZnO-Exos释放的Zn2+激活HIF-1α，后者转录诱导miR-1287–5p。这种miRNA反过来直接靶向并抑制Snail的mRNA，Snail是E-钙粘蛋白的关键转录抑制剂和EMT的主要调节因子。通过抑制Snail，ZnO-Exos传递的miR-1287–5p恢复了上皮特性并阻断了骨肉瘤细胞的迁移和侵袭。最后，在一个临床前骨肉瘤模型中，我们证明了ZnO-Exos在抑制原位肿瘤生长和自发肺转移方面的强大效果，并具有优异的安全性。基于以上所有结果，我们证明ZnO NP教育的外泌体有效地逆转了EMT程序，恢复了上皮标记物，并通过Zn2+/HIF-1α/miR-1287–5p/Snail信号轴降低了骨肉瘤的转移潜力（图1）。
