《Chemical Engineering Journal》：Turning a bacterial ally into a metabolic foe: A ruthenium-based photodynamic strategy to disrupt iron collusion and boost anti-tumor immunity in oral squamous cell carcinoma
编辑推荐：
•缺氧和细菌驱动的铁代谢限制了OSCC中光动力疗法的疗效。•Ru2产生I型/II型活性氧，对P. gingivalis和OSCC细胞均具有毒性。•Ru2通过铁螯合作用使OSCC细胞中的DNA修复失活。•Ru2依次触发细胞器应激、焦亡和免疫原性死亡。•Ru2介导的光动力疗法与PD-
- •
缺氧和细菌驱动的铁代谢限制了OSCC中光动力疗法的疗效。
- •
Ru2产生I型/II型活性氧，对P. gingivalis和OSCC细胞均具有毒性。
- •
Ru2通过铁螯合作用使OSCC细胞中的DNA修复失活。
- •
Ru2依次触发细胞器应激、焦亡和免疫原性死亡。
- •
Ru2介导的光动力疗法与PD-L1阻断协同作用，增强抗肿瘤免疫。
引言
铁是生命不可或缺的元素。在快速增殖的癌细胞中，铁的需求急剧增加，以维持DNA复制、能量代谢和氧化还原平衡，这一现象被称为“铁成瘾”，使得癌细胞极度依赖铁稳态[1]。这种依赖在口腔鳞状细胞癌（OSCC）中具有直接的临床相关性，因为控制铁摄取、储存和输出的蛋白质表达在OSCC中经常发生改变[2], [3], [4]，而与铁代谢相关的特征与复发和转移有关[5], [6]。在维持癌细胞存活的铁依赖性过程中，核糖核苷酸还原酶（RNR）是dNTP合成的限速酶，需要铁作为辅因子，其活性直接决定DNA修复能力[7], [8]。因此，铁的可用性不仅促进增殖，还决定癌细胞抵抗氧化和基因毒性损伤的能力——这一弱点已被利用铁螯合剂进行治疗[7], [9], [10]。然而，铁螯合剂单一疗法的临床疗效仍有限，这强调了需要联合策略来放大铁剥夺的后果。
瘤内细菌已成为肿瘤微环境的一个额外组成部分[11], [12], [13]。在OSCC中，经常检测到P. gingivalis，并已被牵涉到肿瘤进展、转移和治疗抵抗中[14], [15], [16]。除了这些已被充分研究的炎症和促肿瘤效应外，P. gingivalis是一种血红素营养缺陷型，依赖于宿主来源的血红素和铁，主要是血红蛋白[17]，并且感染会扰乱宿主铁处理并促进细胞内铁积累[18], [19]。在OSCC细胞中，P. gingivalis及其外膜囊泡进一步抑制细胞死亡并促进恶性表型[20], [21], [22]。综合这些观察结果，提出瘤内细菌可能在癌细胞中建立一个富铁微环境，形成以铁代谢为中心的细菌-癌细胞“共谋”，从而赋予对DNA损伤的抵抗。
光动力疗法（PDT）因其微创性、高时空精度以及诱导免疫原性细胞死亡（ICD）的能力，已成为OSCC的一种有前景的治疗方式[23], [24], [25], [26]。然而，传统PDT面临两个与铁共谋网络密切相关的关键限制。首先，大多数光敏剂（PSs）通过依赖分子氧产生单线态氧（1O?）的II型光化学途径发挥作用[27], [28]。OSCC的缺氧微环境严重削弱了活性氧（ROS）的产生，降低了治疗效果[29]。其次，癌细胞中富含铁的状态——受细菌感染加剧——增强了DNA修复能力，使癌细胞能够迅速修复ROS诱导的DNA损伤并逃避免疫原性细胞死亡[30], [31]。因此，传统PDT往往无法实现持久的疗效。
钌(II) (Ru(II))多吡啶配合物因其易于合成、低暗毒性、良好的光物理和光化学性质以及可精细调节其光化学反应性的多功能配位化学，已成为有前景的PDT光敏剂[32], [33], [34]。与依赖氧依赖型II型光化学的传统光敏剂不同，Ru(II)配合物可以设计为通过耐氧的I型途径发挥作用。具体而言，I型Ru(II)光敏剂通过电子或氢原子转移产生自由基ROS（羟基自由基和超氧阴离子），这些过程对氧浓度的依赖性大大降低[32], [35], [36]。与这些发展并行，光活化化疗（PACT）已成为治疗缺氧肿瘤的一种不依赖氧的PDT替代方案。与依赖ROS生成的PDT不同，PACT利用光通过不依赖氧的机制直接从原药中释放细胞毒性物种[37], [38]。Ru(II)配合物特别适合PACT应用，因为它们在光激发后可以进行配体解离，产生Ru(II)水合物和/或具有内在抗癌活性的游离配体，从而在不需要分子氧的情况下发挥其细胞毒性作用[39]。重要的是，相同的Ru(II)骨架可以设计为同时作为I型PDT剂和PACT剂，提供多功能平台，用于解决OSCC中的缺氧和细菌感染挑战的多模式治疗[40], [41]。
为了解决OSCC中肿瘤缺氧、瘤内细菌和铁依赖性DNA修复这些交织的障碍，我们假设一个多功能平台能够同时（i）克服缺氧依赖的ROS生成，（ii）根除P. gingivalis，以及（iii）破坏铁依赖性DNA修复，从而瓦解细菌-癌细胞铁共谋。在此，我们合成了四种钌基光敏剂，发现Ru2在其中表现最佳。在光照射下，Ru2经历配体解离并释放游离L2配体（方案1A）。同时，Ru2通过I型和II型光动力机制发挥作用，产生ROS，这些ROS很大程度上不依赖环境氧张力，因此即使在缺氧微环境中也能确保强大的细胞毒性（方案1B）。这些联合作用构成了Ru2的多方面治疗效果（方案1C）：光生ROS通过膜破坏在厌氧条件下有效根除P. gingivalis，而在癌细胞中，Ru2螯合不稳定亚铁离子，耗尽支持RNR活性的铁池，从而削弱DNA修复，将ROS诱导的DNA损伤从可修复的损伤转化为致命的损伤积累。此外，Ru2优先定位在内质网（ER），光照射触发内质网应激、钙释放，随后线粒体功能障碍，导致具有焦亡相关特征的免疫原性细胞死亡以及肿瘤细胞上PD-L1上调。在本研究中，我们证明Ru2介导的PDT有效破坏细菌-癌细胞铁共谋，根除P. gingivalis，使癌细胞对氧化损伤敏感，并激发强大的抗肿瘤免疫，提供了一种多维策略，解决了长期以来限制PDT和免疫疗法在OSCC中成功的缺氧和铁依赖性DNA修复等根本障碍。
章节摘要
Ru2的合成、I型光敏活性以及PACT介导的铁螯合
为了系统研究噻吩环数目对钌基光敏剂的光物理、光化学和生物学性质的影响，我们合成了一系列四种Ru(II)配合物（Ru1–Ru4），其主配体上带有逐渐延伸的π共轭体系（图1A）。通过将1,10-菲咯啉-5,6-二酮、醛衍生物和醋酸铵在冰醋酸中反应，合成了N^N配体L1-L4。随后，进行配位反应
结论
传统PDT治疗OSCC受到肿瘤缺氧（限制氧依赖型II型ROS生成）和瘤内细菌（通过铁代谢重编程增强癌细胞DNA修复）的限制。在本研究中，我们证明Ru2，一种钌基光敏剂，通过将I型光动力疗法、光动力抗菌化疗和铁螯合整合到单一分子平台中，克服了这些双重障碍。机制上，Ru2产生
CRediT作者贡献声明
Jia-Yin Wu: 写作 - 初稿，可视化，验证，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。Peng Wang: 写作 - 初稿，可视化，验证，方法学，调查，正式分析，数据管理。Ling-Ran Li: 写作 - 初稿，可视化，验证，方法学，调查，正式分析，数据管理。Si-Lei Chen: 数据管理，正式分析，调查，方法学，验证。Tao Zhao: 数据
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，可能影响本论文所报告的工作。
Jia-Yin Wu|Peng Wang|Ling-Ran Li|Si-Lei Chen|Tao Zhao|Jia-Ying Zhou|Xin-Yi Zhang|Yu-Lei Huang|Cai-Ping Tan|Tong Wu
