肽功能化膜伪装纳米平台通过内源性H2S诱导的光热免疫疗法治疗原位结直肠癌

《Nature Communications》：Peptide-functionalized membrane camouflage for endogenous H2S-induced photothermal immunotherapy of orthotopic colorectal cancer

本研究针对结直肠癌高复发转移难题，开发了抗菌肽功能化CRC细胞膜包裹钴基金属有机框架的仿生纳米平台PfCC。该平台在肿瘤微环境酸性条件下降解释放Co2+，与内源性H2S反应生成具有光热效应的CoS沉淀，同时释放抗菌肽调控肠道菌群。研究表明，PfCC能有效消耗H2S、抑制Desulfovibrio等有害菌，促进巨噬细胞M2向M1型极化，激活NK细胞，显著抑制原位CRC生长并延长生存期。该研究为气体信号分子调控的肿瘤治疗提供了新策略。

　　

当现代饮食结构和生活方式深刻影响结直肠癌（Colorectal Cancer, CRC）发病率的同时，这种疾病的治疗依然面临严峻挑战。尽管手术切除联合放化疗是目前CRC治疗的主要手段，但由于肿瘤异质性的存在，II期和III期患者术后五年复发率高达35%-45%。肿瘤相关炎症作为肿瘤的典型特征之一，与免疫抑制微环境密切相关。研究表明，人体70%的免疫细胞存在于肠道，而肠道中的巨噬细胞、自然杀伤细胞（NK细胞）和中性粒细胞在肿瘤微环境中多处于功能抑制状态，这为肿瘤的发生发展提供了条件。

更为关键的是，气体信号分子硫化氢（H₂S）在肠道疾病中扮演着双重角色。在正常生理状态下，H₂S由胱硫醚-β-合酶（CBS）、胱硫醚-γ-裂解酶（CSE）和硫酸盐还原菌（如Desulfovibrio）产生，参与调节多种生理过程。然而，在CRC肿瘤组织中，H₂S浓度可达0.3-3.4 mM，是正常组织的3-4倍。高浓度H₂S不仅促进炎症反应，还与CRC的发生发展密切相关。因此，将H₂S水平稳定调控至生理浓度，成为缓解CRC的有效策略。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，程凯、张芳等研究人员开发了一种创新的仿生纳米平台——肽功能化伪装C（Peptide-functionalized Camouflage C, PfCC）。该平台通过将抗菌肽功能化的CRC细胞膜包裹在钴基金属有机框架（Cobalt-based Metal-Organic Framework, C）表面构建而成。当注射到肿瘤小鼠体内后，PfCC在肿瘤酸性微环境（pH 6.5）下降解释放Co²⁺，与内源性H₂S反应生成黑色星状CoS沉淀。这种沉淀在近红外光照射下产生光热效应，同时消耗的H₂S缓解了肿瘤炎症微环境，促进巨噬细胞从促癌M2型向抑癌M1型极化。此外，降解释放的抗菌肽有效抑制Desulfovibrio等有害菌，减少H₂S产生，进一步改善肠道菌群平衡。

研究团队运用了多项关键技术方法：通过透射电子显微镜（TEM）、动态光散射（DLS）、X射线光电子能谱（XPS）等表征纳米材料理化性质；利用细胞活力检测（CCK-8法）、流式细胞术、免疫荧光等技术评估体外治疗效果；建立皮下和原位CRC小鼠模型进行体内靶向性和治疗效应研究；采用16S rRNA测序分析肠道菌群变化；并基于AI大模型（Segment Anything Model, SAM）开发算法实现原位肿瘤的定量分析。

合成与表征PfCC

研究人员成功合成了粒径约115纳米的PfCC纳米平台，其表面电位为21.4 mV。表征结果显示，Co、N、O、P、S等特征元素信号明显，证明肽功能化细胞膜成功修饰在钴基MOF表面。酸响应性实验表明，PfCC在pH 6.5条件下2小时可完全降解，释放的Co²⁺与H₂S反应生成CoS沉淀，在808纳米激光照射下5分钟内升温22.5°C，展现出优异的光热性能。

细胞水平靶向和治疗效果评估

细胞实验显示，PfCC具有良好的生物安全性和稳定性，在400 μg/mL浓度下细胞存活率仍高于87.8%。激光共聚焦显微镜观察证实，DiI标记的PfCC可被CT26细胞有效内化，并在10小时内实现溶酶体逃逸。随着H₂S浓度增加，PfCC+NIR处理组的细胞存活率显著下降至50.2%，凋亡分析表明高浓度H₂S可诱导更强的光热效应。Transwell实验进一步证明该探针能抑制CT26细胞的迁移和侵袭。

体内生物相容性

小鼠体内安全性评估显示，PfCC注射后1、20、45天的小鼠血常规、肝肾功能指标均在正常范围内，主要器官未见病理学改变。钴离子代谢研究表明，注射7天后心脏、肺、肾脏中的代谢清除率超过89%，肿瘤组织中达97.7%，表明该探针具有良好的生物相容性和长期安全性。

皮下CRC肿瘤成像与治疗

体内荧光成像显示，Cy5.5标记的PfCC在注射6小时后在肿瘤部位富集达到峰值，信号噪比最高。在双侧肿瘤模型中，PfCC对CT26肿瘤的靶向性显著高于4T1肿瘤。热成像证实，PfCC+NIR组肿瘤温度在激光照射5分钟内升至53.3°C，显著高于PBS组的38.5°C。

治疗28天后，PfCC+NIR组肿瘤完全消失且无复发，生存率达100%，显著优于其他组。ELISA检测显示，PfCC+NIR组血清IL-6、IL-1β水平最低，而TNF-α表达最高。免疫荧光染色证实，PfCC处理促进肿瘤中M1巨噬细胞和NK细胞浸润，同时降低抗氧化酶GPX4表达。

原位CRC靶向与治疗

在AOM/DSS诱导的原位CRC模型中，PfCC在注射后4-6小时在结直肠区域富集。治疗27天后，内镜观察显示PfCC+NIR组肿瘤数量和体积最小。H₂S定量检测表明，PfCC+NIR组肿瘤H₂S浓度降至0.676 mM，降低率达75.8%。流式细胞术分析显示，PfCC处理增加肿瘤中F4/80⁺巨噬细胞、M1巨噬细胞和NK细胞比例，同时降低NF-κB表达。

抗菌肽对微生物的调控

抗菌实验表明，PfCC对Escherichia和Desulfovibrio具有显著抑制作用。16S rRNA测序显示，PfCC处理降低Desulfovibrio和Escherichia_Shigella相对丰度，同时增加Akkermansia和Bifidobacterium等有益菌。这表明抗菌肽通过调控肠道菌群，减少H₂S产生，协同Co²⁺消耗H₂S，改善肿瘤免疫微环境。

该研究成功构建了一种多功能仿生纳米平台PfCC，通过"自上而下"的协同调控策略实现CRC的高效治疗。一方面，降解释放的Co²⁺消耗肿瘤内过量H₂S，缓解炎症微环境；生成的CoS沉淀实现局部光热治疗。另一方面，抗菌肽调控肠道菌群，从源头上减少H₂S产生，促进巨噬细胞M1型极化和NK细胞活化，逆转免疫抑制状态。值得注意的是，研究首次将AI大模型学习应用于原位CRC的定量评估，为肿瘤治疗响应监测提供了新方法。

PfCC平台的优势在于同时解决了H₂S过度产生和现有过量H₂S清除的双重难题，相比传统H₂S抑制剂和光热制剂具有更好的肿瘤特异性和安全性。尽管在规模化生产和批次一致性方面仍面临挑战，但该研究为气体信号分子调控的肿瘤免疫治疗提供了新思路，尤其在结合微生物组调控与免疫治疗领域具有重要启示意义。