微环境响应型可注射海洋多糖水凝胶负载双金属MOF纳米酶通过铁死亡介导cGAS-STING激活用于胰腺癌原位免疫治疗

《Materials Today Bio》：Microenvironment-Responsive Injectable Marine Polysaccharide Hydrogel Empowered by Bimetallic MOF Nanozymes for In Situ Pancreatic Cancer Immunotherapy via Ferroptosis-Mediated cGAS-STING Activation

　　

胰腺癌具有致密促结缔组织增生性基质（desmoplastic stroma）和重度免疫抑制性肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME），共同阻碍药物渗透与免疫激活。研究人员报道了一种微环境响应型可注射海洋多糖水凝胶（G@ZnFe-Gel），其由Zn/Fe双金属金属有机框架（metal-organic framework, MOF）纳米酶赋能，通过铁死亡（ferroptosis）-cGAS-STING协同实现胰腺癌原位免疫治疗。瘤内注射后，水凝胶在热和Ca2+强化下快速凝胶化，形成稳定瘤内储库（depot）以实现长时局部滞留。机制上，葡萄糖氧化酶（glucose oxidase, GOD）介导葡萄糖氧化扰动代谢并产生H2O2，经Fe3+类芬顿（Fenton-like）反应转化为活性氧（reactive oxygen species, ROS），诱导脂质过氧化与铁死亡；与Zn-Gel对照相比，Fe掺入和GOD负载进一步增强铁死亡相关应答。铁死亡相关线粒体应激及可能包含的mtDNA等损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns, DAMPs）可增强cGAS-STING信号，Zn2+信号可能辅助该过程。在皮下胰腺癌模型中，G@ZnFe-Gel显著抑制肿瘤生长，促进巨噬细胞重编程，增强细胞毒性T细胞浸润，重塑免疫抑制TME且无全身毒性。该工作建立了融合局部滞留、调控性细胞死亡和先天-适应性免疫串扰的水凝胶-纳米酶平台，为间质丰富且“冷”肿瘤提供新策略。

研究背景方面，胰腺癌（pancreatic cancer, PC）预后极差，五年生存率低于10%，其核心障碍在于活化胰腺星状细胞主导的致密细胞外基质与胶原/纤连蛋白富集的促结缔组织增生性肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME），该基质阻碍药物及纳米药物渗透，并限制效应T细胞浸润；同时肿瘤相关巨噬细胞、髓源抑制细胞等免疫抑制群体使肿瘤呈“冷”表型，常规化疗与免疫检查点阻断获益有限。因此，亟需能同时克服基质屏障并重编程免疫抑制微环境的策略。研究人员开发了一种微环境响应型可注射海洋多糖水凝胶体系，将Zn/Fe双金属金属有机框架（metal-organic framework, MOF）纳米酶与海藻酸钠（sodium alginate）、热响应Pluronic F127结合，形成G@ZnFe-Gel，用于胰腺癌原位免疫治疗。结论上，该体系通过热触发凝胶化、Ca²⁺离子交联与纳米酶网络增强，在瘤内形成稳定储库（depot）；通过GOD催化产H₂O₂、Fe³⁺类芬顿（Fenton-like）反应放大活性氧（reactive oxygen species, ROS）诱导铁死亡（ferroptosis），并借由铁死亡相关线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）等损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns, DAMPs）及Zn²⁺信号激活cGAS-STING轴，从而把局部氧化还原扰动转化为持续免疫参与，重建胰腺肿瘤免疫监视。该研究发表于《Materials Today Bio》，对间质密集、免疫沉默型实体瘤具有方法与机制双重意义。

主要关键技术方法上，研究人员采用双步自组装制备Zn-ZIF与ZnFe-ZIF纳米粒并将葡萄糖氧化酶（glucose oxidase, GOD）负载为G@ZnFe-ZIF纳米酶；以海藻酸钠+Pluronic F127构建可注射前体，利用温敏凝胶化与Ca²⁺交联形成G@ZnFe-Gel；通过透射电镜（transmission electron microscopy, TEM）、扫描电镜（scanning electron microscopy, SEM）、高角环形暗场扫描透射电镜（high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy, HAADF-STEM）、能谱（energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS）、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、紫外可见光谱、傅里叶变换红外（Fourier-transform infrared, FT-IR）与流变学表征材料；以PAN02细胞、Sprague-Dawley大鼠及皮下PAN02荷瘤小鼠为模型，结合RNA测序（RNA sequencing, RNA-seq）、蛋白质印迹、定量PCR、流式细胞术、免疫荧光/免疫组化评估机制与安全。

2.1 Synthesis and Characterization of G@ZnFe-ZIF NPs：研究人员通过双步自组装获得Zn-ZIF、ZnFe-ZIF及G@ZnFe-ZIF NPs，TEM/SEM显示多面体形貌与尺寸变化，HAADF-STEM/EDS证实Zn、Fe均匀分布，XRD表明Fe³⁺取代未破坏ZIF拓扑，UV-Vis确认GOD成功负载；TMB级联催化实验证明GOD+ZnFe-ZIF+葡萄糖才产生强氧化信号，说明级联产羟基自由基与持久催化功能保留。

2.2 Fabrication and Characterization of G@ZnFe-Gel：研究人员将G@ZnFe-ZIF NPs嵌入海藻酸钠/Pluronic F127体系，倒置瓶试验显示4°C为溶胶、升温后凝胶，Ca²⁺使凝胶时间缩短至约1 min；SEM见网络更致密，FT-IR见O–H、–CH₂、羧基峰位移，提示氢键与金属配位重构；流变学显示存储模量提高、应变恢复良好；大鼠皮下荧光标记实验显示7天内逐步降解，说明其可注射、力学稳定且可编程降解。

2.3 Biocompatibility Assessment and ROS-Driven Cytotoxic Mechanism of G@ZnFe-Gel in PAN02 Cells：溶血实验各组成像红血球溶血率<5%；MTT显示G@ZnFe-Gel浓度依赖抑制PAN02细胞；DCFH-DA探针示ROS最强，Calcein-AM/PI与流式说明晚期凋亡/死亡最多，机制为GOD葡萄糖氧化联合Fe³⁺/Zn²⁺类芬顿级联打破氧化还原稳态。

2.4 In Vitro Evaluation of Ferroptosis and cGAS-STING Pathway Activation：蛋白质印迹显示GPX4、FTH1下调，NRF2-KEAP1-xCT代偿性上调；p-STING、p-TBK1、p-IRF3升高，巨噬细胞p-IRF3核转位增强，IFN-βmRNA上升；Fer-1与RU.521部分挽救活力，说明铁死亡相关应激经mtDNA释放等潜在环节助cGAS-STING激活；外周血流式见T/B细胞增多、巨噬细胞比例下降，提示局部免疫向外周扩展。

2.5 Transcriptomic Analysis Reveals the Molecular Mechanisms Underlying G@ZnFe-Gel Induced Cell Death：RNA-seq显示218上调和65下调基因，KEGG/GO富集于ferroptosis、glutathione metabolism、cGAS-STING、cytosolic DNA sensing；GSEA正富集ferroptosis、TNF signaling、apoptosis、T-cell receptor（TCR）signaling；qPCR验证LPCAT1、NRF2、FTH1、ACSL4、IFIT1、IFIT3趋势一致，说明转录层面对氧化死亡与先天免疫轴的双重重编程。

2.6 In Vivo Evaluation of Antitumor Efficacy and Tumor Growth Inhibition：皮下PAN02小鼠中，Control/FS-Gel肿瘤快速生长，Zn-Gel略缓，ZnFe-Gel更抑，G@ZnFe-Gel几乎停滞生长且终末瘤重最低；H&E见广泛空泡化与坏死，Ki67阳性近无，TUNEL凋亡/坏死最强，证明原位储库+铁死亡+免疫协同在体内最有效率。

2.7 In Vivo Investigation of Antitumor Immune Mechanisms：瘤内ROS、脂质过氧化与MDA升高，GPX4荧光降低；STING与IFN-β免疫组化上调；CRT表面暴露与HMGB1释放增强，提示免疫原性细胞死亡（immunogenic cell death, ICD）；CD86上升、CD163下降代表肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophages, TAMs）由M2向M1重编程；CD8⁺/CD4⁺T细胞浸润增加，IFN-γ信号较对照约高60倍，形成先天-适应性免疫放大环。

2.8 In Vivo Assessment of Biosafety and Systemic Biocompatibility：小鼠体重稳定，ALT、AST、CRE、BUN正常，心肝脾肺肾H&E无炎症、坏死或异常沉积，说明局部缓释降低了全身肝肾负担，系统安全性良好。

讨论部分总结：研究人员强调，G@ZnFe-Gel的价值不在于单一杀瘤，而在把材料自装配、微环境响应滞留、代谢扰动、铁死亡与cGAS-STING免疫启动串联为可注射原位平台；相对于空白水凝胶或单金属/无GOD体系，双金属+酶的级联能同时压下胰腺癌的基质物理屏障与免疫抑制屏障。文中也指出后续仍需评估Zn/Fe长期生物分布、代谢清除、免疫记忆及再攻击保护，并在更具代表性的模型验证。

结论部分翻译：总之，研究人员开发了一种由Zn/Fe双金属MOF纳米酶增强的微环境响应型可注射海洋多糖水凝胶系统，以应对胰腺癌中致密基质与免疫抑制的双重屏障。通过整合热触发凝胶化、Ca²⁺介导离子交联和纳米酶诱导的网络增强，该水凝胶快速形成稳定瘤内储库（depot），确保在富含间质的TME中持续局部滞留。通过把铁死亡（ferroptosis）与cGAS-STING激活机制性偶联，该平台将局部氧化还原扰动转化为持续免疫参与，最终重建胰腺肿瘤微环境中的免疫监视。在转化前，仍需进一步研究Zn/Fe的长期生物分布、代谢、清除与安全性，评估免疫记忆及对肿瘤再攻击的保护，并在更具代表性模型中验证疗效。