辐射触发型生物反应器通过靶向精氨酸代谢重编程癌症干细胞可塑性增强放射免疫治疗

针对癌症干细胞（CSCs）因线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）增强导致的治疗抵抗问题，研究人员开发了一种辐射触发型生物反应器（RTB），通过靶向精氨酸代谢破坏和诱导分化，协同低剂量放疗（LDR）与β-拉帕醌（LAP）的活性氧（ROS）效应，显著增强CSCs的放射免疫治疗敏感性。该研究为克服实体瘤治疗抵抗提供了创新策略。

　　

论文解读

癌症干细胞（CSCs）是肿瘤治疗失败的核心因素之一，其依赖线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）维持干性和抵抗治疗的特性，成为临床难题。传统疗法难以根除CSCs，部分原因在于其动态可塑性——能在干性与非干性状态间切换以逃避杀伤。更棘手的是，CSCs通过增强精氨酸代谢支持OXPHOS活性，同时利用其抗氧化能力维持线粒体稳态，进一步巩固了治疗抵抗。如何精准破坏CSCs的代谢网络并诱导其分化，成为突破治疗瓶颈的关键。

针对这一挑战，重庆大学的研究团队在《Biomaterials》发表了一项创新研究。他们设计了一种辐射触发型生物反应器（RTB），通过整合iNOS表达基因电路（pDNA^iNOS）和β-拉帕醌（LAP）的靶向脂质体，实现了对CSCs精氨酸代谢的远程调控。低剂量放疗（LDR）激活Nrf2信号通路，驱动iNOS表达以消耗精氨酸并生成一氧化氮（NO），同时上调NQO1酶增强LAP的ROS生成。这种多机制协同作用不仅破坏CSCs线粒体功能、诱导其分化，还促进免疫原性坏死，最终显著提升放射免疫治疗效果。

关键技术方法
研究采用以下核心技术：1）构建含Nrf2响应启动子的iNOS表达质粒（pDNA^iNOS）；2）合成CD133抗体靶向的阳离子脂质体载体；3）利用低剂量放疗（LDR）时空激活RTB功能；4）通过肝癌细胞系（Huh7/Hep1-6）模型评估CSCs干性及代谢变化；5）结合流式细胞术、免疫荧光和ELISA分析线粒体损伤与免疫应答。

研究结果

增强的精氨酸利用支持CSCs的OXPHOS和干性维持
实验证实，CSCs通过高表达精氨酸转运蛋白CAT-1和代谢酶ARG1/2，显著提升精氨酸摄取与利用。敲除RBM39（精氨酸结合蛋白）或抑制精氨酸代谢后，CSCs线粒体膜电位（ΔΨm）和ATP生成下降，干性标志物（如OCT4、Nanog）表达降低，证实精氨酸代谢对CSCs干性的调控作用。

RTB的构建与辐射响应特性
RTB由CD133抗体修饰的脂质体包裹pDNA^iNOS和LAP组成。LDR通过上调Nrf2激活pDNA^iNOS转录，使iNOS表达量增加8倍，导致细胞内精氨酸浓度下降70%，同时NO水平升高15倍。此外，LDR诱导的NQO1表达使LAP的ROS生成效率提升12倍，形成“精氨酸剥夺-NO/ROS风暴”协同效应。

线粒体损伤与CSCs分化
RTB处理后的CSCs出现线粒体形态碎裂、DNA（mtDNA）泄漏和TFAM（线粒体转录因子A）核转位。OXPHOS活性抑制导致CSCs向CD133^low表型分化，肿瘤球形成能力下降90%。转录组分析显示，分化相关基因（如CK18、ALB）上调，干性通路（Wnt/β-catenin）被抑制。

免疫原性坏死与抗肿瘤免疫
RTB联合LDR显著提升CSCs中RIPK1/p-MLKL（坏死标志蛋白）表达，释放HMGB1和ATP等损伤相关分子模式（DAMPs），促进树突细胞（DCs）成熟和CD8⁺ T细胞浸润。在荷瘤小鼠模型中，该方案使肿瘤完全缓解率提高60%，并诱导长期免疫记忆，抑制远端肿瘤生长。

结论与意义
该研究开创性地将合成生物学与纳米技术结合，通过辐射精确调控CSCs代谢重编程。RTB通过三重机制——精氨酸剥夺破坏线粒体稳态、NO/ROS协同放大放疗毒性、免疫原性坏死激活系统性免疫——实现了对CSCs的根除。这一策略不仅为克服实体瘤治疗抵抗提供了新范式，其“远程触发-代谢干预-免疫激活”的设计思路还可拓展至其他代谢依赖性疾病的治疗。未来，针对不同肿瘤特异性标志物（如EGFR、PD-L1）的RTB变体开发，有望推动个性化放射免疫治疗的临床转化。