超声激活的Ce(IV)整合仿生纳米平台通过氧合增强气体-声动力铁死亡与cGAS–STING驱动的抗肿瘤免疫

《Advanced Science》：Ultrasound-Activated Ce(IV)-Integrated Biomimetic Nanoplatform for Oxygenation-Reinforced Gas-Sonodynamic Ferroptosis and cGAS–STING-Driven Antitumor Immunity

　　

免疫学"冷"肿瘤对免疫治疗应答不佳，其原因在于缺氧限制的氧化治疗、免疫原性肿瘤细胞死亡不足以及T细胞反应功能障碍，共同限制了从局部肿瘤破坏向系统性抗肿瘤免疫的转变。研究人员开发了一种超声响应的Ce(IV)整合仿生纳米平台TcEM@Ce-P4CO@M以突破上述障碍。Ce⁴⁺/Ce³⁺氧化还原循环促进H₂O₂分解与O₂生成，在缺氧条件下维持超声触发的活性氧（ROS）产生。同时，P4CO衍生的CO促进线粒体氧化应激与脂质过氧化。内源性铁稳态重塑及SLC7A11/谷胱甘肽（GSH）/谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）抗氧化防御的损伤进一步促进铁死亡相关的肿瘤细胞损伤。线粒体功能障碍与DNA损伤伴随干扰素基因刺激因子（STING）相关信号增强，同时共递送的MSA-2进一步强化STING介导的先天免疫激活，共同促成支持树突状细胞成熟的免疫原性环境。工程化肿瘤来源膜促进肿瘤相关递送并提供CD86介导的共刺激与抗TIM-3介导的检查点调节。在4T1肿瘤模型中，该协同级联反应抑制原发肿瘤、抑制未照射的远端肿瘤、降低实验性肺转移负荷并重塑肿瘤免疫微环境。总体而言，TcEM@Ce-P4CO@M将缺氧限制的局部声动力损伤转化为铁死亡关联的先天至适应性系统性抗肿瘤免疫。

免疫检查点阻断（ICB）已改变肿瘤治疗格局，但其在免疫学"冷"肿瘤中疗效仍然有限，此类肿瘤中严重缺氧、免疫原性肿瘤细胞损伤不足及T细胞反应功能障碍共同限制了持久抗肿瘤免疫的产生。上述障碍在机制上相互关联：缺氧损害氧依赖性肿瘤损伤，免疫原性损伤不足限制先天免疫激活信号的产生，持续存在的抑制性信号进一步削弱效应T细胞功能。因此，冷肿瘤的有效治疗不仅需要增强局部肿瘤破坏，还需将这种损伤高效转化为先天免疫激活，继而强化适应性抗肿瘤应答。声动力治疗（SDT）提供了一种非侵入性产生活性氧（ROS）的手段，但其疗效受肿瘤缺氧的强烈制约。一氧化碳（CO）可干扰线粒体呼吸与氧化还原稳态，从而增敏肿瘤细胞对氧化应激的敏感性；而铁死亡以铁依赖性脂质过氧化及抗氧化防御系统崩溃为特征，尤其是SLC7A11/谷胱甘肽（GSH）/谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）轴。铈基催化体系因可逆的Ce⁴⁺/Ce³⁺循环能促进H₂O₂分解和局部O₂生成，从而恢复氧依赖性声动力活性，为克服上游氧限制提供了潜在手段。除局部肿瘤杀伤外，氧化及铁死亡相关的线粒体和DNA损伤可增强损伤相关分子模式（DAMP）信号及胞质DNA相关的先天免疫感知，包括环鸟苷酸-腺苷酸合成酶（cGAS）-干扰素基因刺激因子（STING）通路的激活及下游树突状细胞成熟。药理学STING激动剂如MSA-2可进一步强化这种从局部肿瘤损伤向先天免疫激活的转化。然而，有效的抗肿瘤免疫还需随后恢复T细胞功能，提示上游微环境调节、免疫原性肿瘤细胞损伤、先天免疫感知与适应性免疫调节最好应协同而非孤立处理。为此，研究人员开发了超声响应的Ce(IV)整合仿生纳米平台TcEM@Ce-P4CO@M以应对上述相互关联的治疗障碍。配位组装的核心 incorporated 声敏剂/CO供体前体P4CO、STING激动剂MSA-2及Ce物种，并进一步包覆展示CD86和抗T细胞免疫球蛋白及黏蛋白结构域含-3（TIM-3）的工程化肿瘤来源膜。肿瘤来源膜促进同源肿瘤相关递送，而Ce介导的氧合在缺氧条件下维持声动力ROS产生。超声照射下，声动力ROS与CO共同促进线粒体氧化应激和铁死亡相关肿瘤细胞损伤，伴随内源性铁稳态重塑、DAMP暴露/释放及DNA损伤相关的cGAS–STING激活，后者由MSA-2进一步强化。同时，CD86介导的共刺激与抗TIM-3介导的检查点调节支持后续T细胞激活。该时空协同的治疗级联旨在将缺氧限制的局部声动力损伤转化为铁死亡关联的先天与适应性抗肿瘤免疫激活，从而抑制原发肿瘤、抑制远端肿瘤并限制肺转移。研究背景方面，免疫检查点阻断在免疫学"冷"肿瘤中疗效受限，核心障碍包括肿瘤缺氧限制氧依赖性声动力ROS产生、免疫原性肿瘤细胞死亡不足难以提供先天免疫激活信号、以及T细胞功能受抑制性信号削弱。现有声动力治疗受缺氧制约，CO可干扰线粒体呼吸增敏氧化应激，铁死亡以铁依赖脂质过氧化和SLC7A11/GSH/GPX4抗氧化轴崩溃为特征，铈基催化体系可通过Ce⁴⁺/Ce³⁺循环分解H₂O₂产O₂，STING激动剂MSA-2可强化先天免疫激活，但上述环节需协同整合而非孤立处理。基于此，研究人员构建了TcEM@Ce-P4CO@M仿生纳米平台，通过Ce(IV)介导配位组装P4CO与MSA-2并包覆展示CD86与抗TIM-3的工程化肿瘤膜，旨在将缺氧限制的局部声动力损伤转化为铁死亡关联的先天至适应性系统性抗肿瘤免疫，该研究发表于《Advanced Science》。关键技术方法方面（不超过250字）：采用Ce(IV)介导的配位组装制备纳米核心并挤出包覆工程化肿瘤细胞膜；通过TEM、DLS、XPS、HPLC等进行理化表征；以DPBF、SOSG、MB、ESR及肌红蛋白光谱法评价超声触发CO释放与ROS生成；以H₂O₂消耗和溶氧测定评价Ce介导氧合；在4T1细胞及CoCl₂缺氧模拟条件下评估细胞内ROS/CO、线粒体功能、铁死亡及铁稳态；采用4T1三维肿瘤球、双侧肿瘤模型、实验性肺转移模型（4T1-Luc）及BALB/c小鼠（厦门大学实验动物中心）进行体内评价；通过流式细胞术进行免疫分型、ELISA检测细胞因子、Western blot及免疫荧光分析信号通路、RNA测序进行转录组分析。研究结果方面：2.1 TcEM@Ce-P4CO@M的构建与理化表征：通过逐步配位组装与膜包覆策略成功构建纳米平台，DLS显示包膜后水合粒径偏移，TEM显示分散良好的球形纳米粒及膜相关外周结构，UV–vis、zeta电位、FT–IR、SDS-PAGE、HAADF-STEM/EDS、XPS及HPLC结果共同证实P4CO与MSA-2成功整合及Ce⁴⁺/Ce³⁺混合价态（约56:44）的存在，且胶体稳定性良好、MSA-2呈微环境响应释放。2.2 超声触发CO释放与ROS生成：TcEM@Ce-P4CO@M在超声照射下CO释放随声功率密度增加而增加并可被超声开/关循环反复调控，肌红蛋白光谱法验证CO释放；DPBF、SOSG（NaN₃抑制验证¹O₂参与）、MB漂白及ESR自旋捕获共同证实超声触发ROS生成。2.3 Ce介导氧合减弱缺氧相关反应并维持声动力ROS生成：Ce-P4CO@M显著加速H₂O₂消耗并诱导溶解O₂时间依赖性增加；在CoCl₂缺氧模拟下，Ce-P4CO@M + US较P4CO@M + US维持更强的DCFH-DA荧光，并降低缺氧敏感探针信号及HIF-1α表达。2.4 细胞摄取与超声触发胞内激活：TcEM@Ce-P4CO@M在4T1细胞中随时间有效内化并部分定位于溶酶体、内质网和线粒体；TcEM包覆主要增强同源肿瘤相关相互作用与摄取而非优先靶向T细胞；超声激活后在2D及3D肿瘤球中产生最强ROS/CO信号、线粒体ROS升高、线粒体膜电位耗散、细胞死亡增加及F-actin结构紊乱。2.5 超声触发ROS/CO应激通过脂质过氧化与内源性铁稳态重塑促进铁死亡：C11-BODIPY氧化信号及MDA在TcEM@Ce-P4CO@M + US组最强，FerroOrange显示不稳定Fe²⁺池进行性扩大，伴随TFRC上调和FTH1下调，GSH与总抗氧化能力降低、GPX4与SLC7A11下调；Fer-1与DFO显著恢复细胞活力而Z-VAD-FMK仅部分保护，支持铁死亡为主要杀伤方式；Hb对照表明CO对线粒体ROS和脂质过氧化有独立贡献。2.6 铁死亡相关线粒体与DNA损伤伴随cGAS–STING信号增强及免疫原性细胞死亡：钙黄绿素-AM/CoCl₂实验显示mPTP开放增强，8-OHdG、γ-H2AX及彗星实验显示DNA损伤增加，p-STING、p-TBK1、p-p65、p-IRF3增强且IFN-β分泌升高；CRT暴露增加、HMGB1释放及ATP释放、HSP90暴露增强；条件培养基促进BMDC成熟及IL-12、IL-6、IL-1β分泌。2.7 双工程化TcEM通过CD86共刺激与抗TIM-3检查点调节协同强化CD8⁺ T细胞激活：五组共培养显示CD69、CD25、Granzyme B及IFN-γ、TNF-α、IL-12在双工程化组最高，表明两种免疫调节模块贡献互补且联合呈现最强激活与效应表型。2.8 体内肿瘤蓄积、原发肿瘤抑制与远端肿瘤攻击抑制：Cy5.5标记显示TcEM@Ce-P4CO@M肿瘤蓄积最强且持久（约12 h达峰）；局部超声照射原发肿瘤后，TcEM@Ce-P4CO@M + US组原发肿瘤抑制最强并显著抑制未照射远端肿瘤，肿瘤组织GPX4降低、γ-H2AX升高、CRT升高、HMGB1降低、p-STING升高、HIF-1α降低，血清IFN-β、IFN-γ、TNF-α、IL-6、IL-12升高而IL-10降低。2.9 超声下TcEM@Ce-P4CO@M重塑肿瘤免疫微环境：原发与远端肿瘤中CD4⁺与CD8⁺ T细胞频率增加，PD-1⁺TIM-3⁺ CD8⁺ T细胞减少，TDLN中CD80⁺CD86⁺ DC增加，Treg减少，CD86⁺ M1样TAM增加而CD206⁺ M2样TAM减少。2.10 超声下TcEM@Ce-P4CO@M抑制原发肿瘤生长与肺转移：在4T1-Luc实验性肺转移模型中，TcEM@Ce-P4CO@M + US组肺生物发光信号最低、原发肿瘤生长最慢且终末重量最低，肺转移面积与转移结节数显著减少。2.11 转录组重编程与免疫景观重塑：RNA测序显示两组转录谱明显分离，KEGG富集于胞质DNA感知、细胞因子-受体相互作用、趋化因子信号、NF-κB及JAK-STAT通路，GO富集于免疫应答等过程；靶向热图显示Slc7a11、Gpx4降低而Acsl4、Ptgs2升高，Tmem173、Ifnb1、Cxcl10升高，Cd86及Cd69、Il2ra、Ifng、Gzmb升高，Havcr2与Pdcd1降低。讨论部分总结：本研究将缺氧缓解、气体-声动力铁死亡、STING相关先天免疫激活与工程化T细胞调节整合于单一治疗平台，Ce介导的催化氧合在缺氧条件下维持氧依赖性声动力ROS生成，超声触发的ROS与CO应激促进线粒体氧化功能障碍与脂质过氧化，内源性铁稳态重塑（TFRC升高、FTH1降低）为不稳定铁池扩大提供基础，联合SLC7A11/GSH/GPX4抗氧化防御损伤促进铁死亡相关肿瘤细胞损伤，线粒体与DNA损伤伴随STING相关信号增强及ICD相关DAMP释放，MSA-2进一步强化STING介导的先天免疫激活，工程化TcEM壳提供CD86共刺激与抗TIM-3检查点调节强化CD8⁺ T细胞激活与细胞毒效应应答；体内TcEM@Ce-P4CO@M增强肿瘤蓄积与滞留，联合局部超声有效抑制原发肿瘤、抑制未照射远端肿瘤并减少实验性肺转移，免疫分型显示CD4⁺与CD8⁺ T细胞浸润增加、DC成熟增强、Treg相关免疫抑制减少及TAM向促炎表型偏移，转录组分析进一步支持铁死亡相关应激、DNA感知与炎症通路激活及肿瘤免疫景观重塑。研究结论翻译：总之，研究人员开发了一种超声响应的Ce(IV)整合仿生纳米系统TcEM@Ce-P4CO@M，在单一治疗平台内协调缺氧缓解、气体-声动力铁死亡、STING相关先天免疫激活与工程化T细胞调节。该纳米系统通过Ce(IV)介导的声敏剂/CO供体P4CO与STING激动剂MSA-2的配位组装，随后包覆展示CD86与抗TIM-3的基因工程化肿瘤来源膜而构建。这一整合设计赋予TcEM@Ce-P4CO@M良好的胶体稳定性、同源肿瘤相关递送、超声触发CO释放与ROS生成以及Ce⁴⁺/Ce³⁺氧化还原循环介导的氧合。机制上，Ce介导的催化氧合减弱缺氧相关反应并在氧缺乏条件下维持氧依赖性声动力ROS生成；同时超声触发的ROS与CO应激促进线粒体氧化功能障碍与脂质过氧化，治疗相关的内源性铁稳态重塑（以TFRC升高和FTH1降低为特征）为细胞内不稳定铁池扩大提供了合理基础；结合SLC7A11/GSH/GPX4抗氧化防御损伤，上述变化促进铁死亡相关肿瘤细胞损伤。由此产生的线粒体与DNA损伤伴随STING相关信号增强及ICD相关DAMP释放，同时共递送的MSA-2进一步强化STING介导的先天免疫激活，促成支持树突状细胞成熟的免疫原性环境。同时，工程化TcEM壳提供CD86介导的共刺激与抗TIM-3介导的检查点调节，从而强化CD8⁺ T细胞激活与细胞毒效应应答。体内TcEM@Ce-P4CO@M表现出增强的肿瘤蓄积与滞留，联合局部超声照射有效抑制原发肿瘤、抑制未照射远端肿瘤并减少实验性肺转移；免疫分型进一步显示CD4⁺与CD8⁺ T细胞浸润增加、DC成熟增强、Treg相关免疫抑制减少及TAM组成向更促炎表型偏移；转录组分析进一步支持铁死亡相关应激、DNA感知与炎症通路激活以及肿瘤免疫景观的更广泛重塑。总体而言，上述发现表明TcEM@Ce-P4CO@M将缺氧限制的局部声动力损伤转化为协调的铁死亡关联的先天至适应性抗肿瘤免疫应答，为整合局部氧化治疗与肿瘤进展和转移的系统性免疫控制提供了策略。