仿生纳米平台介导的CRISPR/Cas9递送系统用于头颈部鳞状细胞癌的双通路代谢阻断

《Biomaterials》：Biomimetic Nanoplatform-Mediated CRISPR/Cas9 Delivery for Dual-Pathway Metabolic Blockade in Head and Neck Squamous Cell Carcinoma

HNSCC治疗中开发pH/还原双响应纳米平台P-T-p@CM，通过CRISPR-Cas9敲除HIF-1α抑制有氧糖酵解，同时联用谷氨酰胺酶抑制剂Telaglenastat阻断谷氨酰胺代谢补偿，实现双重代谢阻断，显著抑制肿瘤增殖并提高90%肿瘤抑制率。

　　在当前癌症治疗研究中，头颈鳞状细胞癌（HNSCC）仍然是一个具有挑战性的领域。HNSCC在全球范围内是第六大常见癌症，主要源于口腔、鼻腔、鼻窦、唾液腺和咽喉等部位的黏膜层发生恶性转化。这种癌症的高发病率和低治愈率，很大程度上归因于其诊断时间晚和对传统化疗药物如顺铂（cisplatin）产生耐药性的特点。在HNSCC治疗过程中，患者通常在疾病晚期才被确诊，这使得治疗难度加大，临床预后不佳。此外，肿瘤细胞对顺铂的耐药性也进一步限制了治疗的有效性。

针对这些挑战，研究人员一直在探索新的治疗策略，以提高HNSCC的治疗效果。近年来，代谢靶向治疗逐渐成为研究热点。HNSCC的肿瘤细胞往往表现出增强的糖酵解活性，这种现象与肿瘤的快速增殖密切相关。然而，单药靶向糖酵解反而会诱发肿瘤细胞通过谷氨酰胺代谢进行补偿，从而维持其生存和增殖能力。因此，如何打破这种代谢补偿机制，成为提高治疗效果的关键所在。

基于上述背景，本文提出了一种创新的治疗策略，即通过基因编辑和小分子药物的协同作用，实现对HNSCC的双重代谢阻断。该策略的核心在于利用一种新型的双响应型生物可降解纳米载体P-T-p@CM，该载体由一种pH和还原双响应的共聚物聚乳酸-聚组氨酸-聚乙烯亚胺（PLA-pHis-ss-PEI）制成。这种纳米载体的设计灵感来源于肿瘤细胞膜的特性，通过在纳米颗粒表面包覆肿瘤细胞膜，使其具备靶向肿瘤细胞的能力。同时，该载体能够在肿瘤微环境的酸性和还原性条件下，实现药物的快速释放，从而有效阻断肿瘤细胞的糖酵解和谷氨酰胺代谢。

在P-T-p@CM纳米载体中，研究人员同时封装了Telaglenastat（Tel）和CRISPR-Cas9质粒。Telaglenastat是一种针对谷氨酰胺酶1（GLS1）的小分子抑制剂，能够阻断谷氨酰胺转化为谷氨酸的过程，从而减少三羧酸循环（TCA）中的能量供应。而CRISPR-Cas9质粒则携带了针对HIF-1α的单导RNA（sgRNA），通过基因编辑技术实现HIF-1α的敲除，进而抑制糖酵解通路。HIF-1α是糖酵解过程中的关键调节因子，尤其在缺氧环境下，其表达水平显著升高，促使肿瘤细胞转向无氧代谢以维持能量供应。通过抑制HIF-1α，可以有效削弱肿瘤细胞的糖酵解能力，同时结合Tel的代谢阻断作用，实现对肿瘤细胞的双重打击。

在实验中，研究人员通过多种手段对P-T-p@CM纳米载体进行了合成和表征。首先，他们利用多步反应合成了PLA-pHis-ss-PEI共聚物，该共聚物具有独特的pH和还原双响应特性。在酸性环境下，共聚物中的组氨酸侧链发生质子化，降低了其疏水性，促进了纳米颗粒的解聚和药物释放。而在还原性条件下，共聚物中的二硫键被断裂，进一步加速了纳米颗粒的释放过程。这种双响应机制使得纳米载体能够在肿瘤微环境中实现精准释放，提高药物的靶向性和治疗效果。

此外，研究人员还通过体外实验和体内实验验证了P-T-p@CM纳米载体的性能。在体外实验中，他们发现该纳米载体能够有效靶向HNSCC细胞，并在酸性和还原性条件下释放Tel和CRISPR-Cas9质粒。体内实验结果进一步证实了其治疗潜力，经过15天的治疗后，肿瘤的抑制率达到90%。这一显著的治疗效果主要归因于纳米载体的双重代谢阻断作用，即通过抑制HIF-1α和GLS1，同时减少糖酵解和谷氨酰胺代谢，从而剥夺了肿瘤细胞的营养和能量来源。

值得注意的是，P-T-p@CM纳米载体的使用不仅提高了治疗效果，还减少了对正常细胞的毒性。这是因为纳米载体表面包覆的肿瘤细胞膜具有高度的靶向性，能够将药物精准地输送至肿瘤部位，而不会对健康组织造成明显的损伤。这种精准的靶向机制使得纳米载体在提高药物利用率的同时，也降低了治疗过程中的副作用，为HNSCC患者提供了更安全的治疗选择。

为了进一步验证该纳米载体的性能，研究人员还进行了详细的代谢分析。结果显示，P-T-p@CM能够显著降低HNSCC细胞的糖酵解质子释放速率（GlycoPER）、氧消耗速率（OCR）和ATP生成能力。同时，乳酸和谷氨酸等关键代谢产物的水平也明显下降。这些代谢变化表明，P-T-p@CM纳米载体能够有效阻断肿瘤细胞的能量供应和生物合成前体的生成，从而诱导严重的代谢紊乱。

在基因编辑方面，研究人员采用了CRISPR-Cas9技术，该技术以其高效、精准和灵活性著称。通过将CRISPR-Cas9质粒与Telaglenastat结合，研究人员实现了对HIF-1α基因的精准敲除，从而在细胞层面有效抑制了糖酵解过程。这种基因编辑方法相较于传统的RNA干扰技术，具有更长的持续时间和更高的编辑效率。同时，CRISPR-Cas9技术还克服了传统HIF-1α抑制剂（如PX-478）在半衰期和特异性方面的不足，为HNSCC治疗提供了新的思路。

在临床应用方面，P-T-p@CM纳米载体展现出了良好的前景。由于其具有较高的靶向性和较低的毒副作用，这种纳米载体有望成为HNSCC治疗的新工具。研究人员还强调了该纳米载体在治疗策略上的创新性，即通过整合基因治疗和小分子药物治疗，实现对肿瘤细胞代谢的双重阻断。这种策略不仅能够有效抑制肿瘤细胞的生长和增殖，还能够通过代谢紊乱诱导肿瘤细胞凋亡，从而显著提高治疗效果。

综上所述，P-T-p@CM纳米载体的开发为HNSCC的治疗提供了一种全新的思路。通过结合双响应型纳米载体、基因编辑技术和小分子药物，研究人员成功构建了一种能够精准靶向肿瘤细胞并有效阻断其代谢的治疗平台。这种平台不仅能够显著提高治疗效果，还能够减少治疗过程中的副作用，为HNSCC患者带来更安全和有效的治疗方案。未来，随着进一步的研究和临床试验，P-T-p@CM纳米载体有望在HNSCC治疗中发挥更大的作用，为这一领域带来革命性的进展。