《Journal of Colloid and Interface Science》：A nanoagent based on a supramolecular copper chelator for cancer therapy via copper depletion and glucose deprivation
编辑推荐：
针对铜依赖性恶性肿瘤的代谢适应性挑战，本研究开发了一种整合超分子铜螯合剂（DP NPs）与葡萄糖氧化酶（GOx）的纳米剂（GDP NPs），通过双重机制阻断肿瘤能量代谢，实验证实其显著优于单一铜剥夺疗法。
作者：狄晓娇、陈泽龙、冯文和、孙佳佳、晁双、裴志超、裴宇欣
西北农林科技大学化学与药学院，中国陕西省杨凌市712100
摘要
鉴于恶性肿瘤对铜的依赖性，铜耗竭疗法已成为一种有前景的抗癌策略。然而，其疗效受到肿瘤代谢适应性的阻碍，肿瘤细胞能够通过切换代谢表型为糖酵解来补偿能量损失。在此，我们开发了一种整合了葡萄糖氧化酶（GOx）的纳米剂（称为GDP NPs），该纳米剂以超分子铜螯合剂（称为DP NPs）为骨架。这种纳米剂能够同时实现细胞内铜的耗竭和糖酵解底物的剥夺。超分子螯合剂本身是通过2,2′-二吡啶胺修饰的柱状芳烃的自组装形成的；它通过耗竭铜来加剧氧化应激并减少三磷酸腺苷（ATP）的生成。同时，GOx通过催化分解葡萄糖来阻断铜耗竭引起的补偿性糖酵解途径。与单独使用铜耗竭疗法相比，铜耗竭与代谢补偿阻断的联合效应会导致肿瘤细胞出现能量危机。体内实验结果表明，GDP NPs的抗癌效果优于DP NPs。我们的工作提出了一种基于超分子化学的新策略，可以同时实现铜的耗竭和代谢的干扰，从而克服了肿瘤代谢适应性对铜耗竭疗法的限制。
引言
铜稳态的失调与恶性肿瘤的进展密切相关[[1], [2], [3]]。越来越多的研究表明，癌细胞对铜的需求增加，因为它们的增殖、血管生成、转移和免疫逃逸过程都与依赖铜的信号通路紧密相关[[4], [5], [6]]。这种“铜依赖性”促使科学家探索用于癌症治疗的铜耗竭策略[[7], [8], [9]]。早期研究证明，抑制细胞内铜的运输可以有效抑制癌细胞的增殖[[10]]。临床研究进一步证实，铜螯合剂可以增强治疗效果，例如，口服四硫钼酸盐（一种铜螯合剂）可以调节铜稳态，从而延长乳腺癌患者的生存期[[11]]。
然而，肿瘤的代谢适应性对铜耗竭疗法构成了重大挑战。癌细胞拥有复杂的能量代谢网络，包括氧化磷酸化（OXPHOS）、三羧酸循环和糖酵解[[12], [13], [14]]。通过这个网络，癌细胞建立了自我调节的代谢共生系统，以维持细胞内三磷酸腺苷（ATP）的稳态。当细胞内铜的耗竭抑制了线粒体OXPHOS（ATP的主要来源）时，癌细胞会迅速激活糖酵解以维持ATP稳态[[15,16]]。这种内在的代谢适应性限制了铜耗竭疗法的疗效。因此，我们假设结合铜耗竭和糖酵解抑制可能是一种有效的策略，以克服铜耗竭疗法的局限性。
已经开发出多种用于铜耗竭疗法的铜螯合剂。然而，小分子螯合剂由于其对铜的非选择性耗竭作用，存在全身毒性的风险[[17,18]]。尽管纳米技术在减少脱靶效应方面显示出潜力，但铜耗竭引发的代谢补偿问题尚未得到解决。例如，Rao等人开发了靶向线粒体的铜耗竭纳米颗粒（CDNs），这些纳米颗粒可以选择性地在癌细胞线粒体中耗竭铜。这些CDNs减少了氧气消耗和OXPHOS，从而降低了三阴性乳腺癌细胞的ATP生成。然而，CDNs治疗也会由于代谢向糖酵解的补偿性转变而增加糖酵解通量[[19]]。同样，Xie等人通过二硫键将紫杉醇（PTX）与铜螯合剂结合，制备了氧化还原响应纳米颗粒，使得紫杉醇和铜螯合剂在肿瘤细胞内同步释放。值得注意的是，虽然释放的螯合剂通过铜耗竭诱导氧化应激并减少ATP生成，但它们也会激活癌细胞的糖酵解[[20]]。因此，结合肿瘤特异性的铜耗竭和同时抑制糖酵解可能会提高铜耗竭疗法的疗效。
作为大环分子，柱状芳烃由于其刚性和对称的结构、易于功能化以及疏水腔体，成为构建铜耗竭纳米剂的理想超分子支架[[21], [22], [23], [24]]。在此，我们基于超分子铜螯合剂（称为DP NPs）设计了一种整合了葡萄糖氧化酶（GOx）的纳米剂（称为GDP NPs），该纳米剂能够同时实现细胞内铜的耗竭和糖酵解底物的剥夺。DP NPs是通过用水溶性柱状芳烃与2,2′-二吡啶胺（DPA）进行功能化制备的，从而具备了铜离子耗竭和GOx装载的能力（图1A）。在GDP NPs中，超分子铜螯合剂介导的细胞内铜耗竭具有双重细胞毒性效应：（1）抑制超氧化物歧化酶（SOD）活性，导致活性氧（ROS）的积累；（2）损害线粒体膜电位，从而减少ATP生成。关键的是，GOx介导的葡萄糖剥夺阻断了铜耗竭激活的补偿性糖酵解途径，加剧了ATP的耗竭并增强了细胞损伤（图1B）。GDP NPs实现了“铜耗竭与代谢补偿阻断”的联合效应，有望克服铜耗竭疗法引起的肿瘤代谢补偿途径，为铜依赖性癌症的精准干预建立新的范式。（见图2。）
试剂和材料
所有化学品和生物试剂均为市售产品，除非另有说明，否则无需进一步纯化。1,4-双(2-溴乙氧基)苯（98%）购自Bidepharm有限公司（上海，中国）。DPA（C12H13N3, 98%）购自东京化学工业有限公司（TCI，东京，日本）。甲醛（(CH2O)n, 95%）购自Sinorpharm化学试剂有限公司（上海，中国）。三氟化硼二乙醚（BF3·OEt2）和N, N
DPAP的合成及其Cu2+螯合能力
在柱状芳烃骨架内策略性地预组织功能基团可以实现分子功能的精确调控[[47], [48], [49], [50]]。我们预期，将DPA共价整合到柱状芳烃骨架中会形成一个具有治疗潜力的独特生物活性平台。因此，合成了DPA修饰的柱状芳烃，称为DPAP，并通过包括1H NMR在内的全面表征进行了验证
结论
总之，我们最初假设同时实现细胞内铜的耗竭和阻断铜耗竭引起的糖酵解补偿可以克服铜耗竭疗法的疗效限制——在这里，我们通过开发一种整合了这两种功能的新型纳米剂（GDP NPs）来验证了这一假设，以增强抗癌效果。该系统包括一种超分子铜螯合剂（DP NPs），它由2,2′-二吡啶胺自组装而成
CRediT作者贡献声明
狄晓娇：撰写——原始草稿、可视化、方法学、数据管理、概念化。陈泽龙：可视化、研究。冯文和：可视化、研究。孙佳佳：可视化、研究。晁双：项目管理、资金筹集。裴志超：监督、项目管理、资金筹集。裴宇欣：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（22577103, 22301246）和陕西省社会发展科技项目（2024SF-YBXM-294）的财政支持。作者感谢西北农林科技大学生命科学学院的生命科学研究核心服务（LSRCS）、生命科学学院和农学学院在TEM（黄克朗）、CLSM（范宁娟）和FCM（马振振）方面的帮助。
