《Nano Today》：Pathology-inspired nanotherapeutics improve tumor penetration and glutathione depletion to potentiate cuproptosis in peritoneal metastases
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聂伟民|王仁杰|卢毅|严欣|张一辰|黄明轩|梁一宇|吴尧|王帅|池一飞|赵晓|高宇|戴跃迪|赵佳颖|Veria Khosrawipour|吴静波|沙先一|张志文
复旦大学药学院，智能药物递送重点实验室（教育部），免疫炎症性疾病新药开发创新中心，国家先进药物制剂重点实验室（用于克服递送障碍），上海201203，中国
摘要
结直肠癌腹膜转移（CRC-PM）是结直肠癌的一种常见且难以治疗的晚期并发症，预后极差。受CRC-PM患者肿瘤独特病理特征的启发，包括铁氧还蛋白1（FDX1）和脂酰合成酶（LIAS）的上调、高水平的谷胱甘肽（GSH）以及密集的肿瘤间质，我们合理设计了一种能够有效穿透肿瘤并耗尽GSH的纳米疗法（命名为PGd-MC），旨在通过促进铜死亡（cuproptosis）来治疗CRC-PM。PGd-MC在小鼠模型和患者来源的异种移植（PDX）-PM模型中表现出强大的肿瘤穿透能力，并分别抑制了72.68%和81.82%的肿瘤进展，最终使生存期延长了1.98倍和1.72倍，优于临床标准FOLFIRI方案。总体而言，这种基于病理特征的PGd-MC为CRC-PM的治疗提供了有前景的策略。
引言
结直肠癌腹膜转移（CRC-PM）是结直肠癌的一种常见且致命的晚期并发症[1]、[2]、[3]。一旦发生PM，患者的预后会显著恶化，中位生存期仅为6-9个月[4]、[5]、[6]。由于PM病变在腹腔内的多灶性和高分散性，CRC-PM的临床标准治疗方法是细胞减灭手术（CRS）联合腹腔内化疗[7]。然而，CRS无法消除隐匿的微转移灶，而腹腔内注射的化疗药物通常由于复杂的肿瘤内递送障碍而无法有效渗透到PM病变中[8]、[9]、[10]。此外，肿瘤细胞内在因素和异常的肿瘤微环境进一步降低了化疗效果[8]、[9]、[10]，导致5年生存率仅为11%-39.4%[11]、[12]。因此，迫切需要新的、有效的策略来改善CRC-PM的治疗效果。
铜死亡（cuproptosis）是一种最近发现的依赖铜的线粒体细胞死亡形式[13]、[14]、[15]、[16]。与传统细胞死亡途径不同，铜死亡是由铜离子直接与三羧酸（TCA）循环中的脂酰化成分结合引起的[17]，这会破坏铁硫（Fe-S）簇蛋白并诱导脂酰化二氢脂酰胺S-乙酰转移酶（DLAT）的聚集，最终引发蛋白毒性应激和细胞死亡[18]。对4例CRC-PM患者的PM肿瘤进行病理检查发现，关键的铜死亡相关蛋白（铁氧还蛋白1（FDX1）和脂酰合成酶（LIAS）表达异常升高（图1A和图S1），这使得PM肿瘤容易发生铜死亡，从而为基于铜死亡的CRC-PM治疗提供了强有力的理论依据。最近，Bootsma等人发现，大多数CRC-PM属于CMS4分子亚型，该亚型对铜离子载体（如elesclomol（ES）具有特定的线粒体敏感性[19]，这进一步支持了我们选择ES-Cu2?复合物作为CRC-PM治疗的核心药物。
值得注意的是，铜死亡介导的细胞死亡在很大程度上依赖于线粒体铜离子的过载[20]、[21]、[22]、[23]，这需要专门的铜离子载体将Cu2?转运到线粒体中[24]。在现有的铜递送剂中，ES-Cu2?复合物在诱导铜死亡介导的细胞死亡方面表现出显著的效果，使其成为治疗CRC-PM的潜在候选药物[25]、[26]。然而，强大的细胞内还原分子谷胱甘肽（GSH）会作为铜螯合剂抑制铜死亡，从而大大减弱了抗癌效果[27]。病理学验证进一步证实，与正常腹膜组织相比，PM病变中的GSH表达异常（图1C和图S2）。因此，耗尽PM病变中的GSH是增强CRC-PM治疗中铜死亡效应的关键前提。
将治疗药物高效递送到PM肿瘤的深层内部对于发挥其药理作用至关重要，但这仍然是CRC-PM治疗面临的主要挑战。对于全身递送，静脉注射的药物受到腹腔相对孤立的解剖结构和血腹膜屏障的限制，限制了它们对PM病变的接触[28]。对于腹腔内递送，PM病变的高分散性和密集的肿瘤间质屏障进一步限制了药物的渗透，导致治疗效果不佳[29]。病理学验证证实，CRC-PM患者的PM病变中存在丰富的间质网络（图1E），构成了肿瘤内药物递送的复杂障碍。尽管纳米药物在提高肿瘤靶向性和渗透性方面具有潜力，但常用的脂质体制剂通常仅限于PM肿瘤的周围区域[2]。这突显了开发能够穿透肿瘤的纳米载体的必要性，以最大化CRC-PM治疗的铜死亡效应。
为了解决这些相互关联的挑战，我们报道了一种受CRC-PM患者PM肿瘤独特病理特征启发的纳米疗法（命名为PGd-MC），该疗法具有高效的肿瘤穿透能力和GSH耗尽能力，能够增强铜死亡介导的细胞死亡，从而治疗CRC-PM。基于PM肿瘤中FDX1和LIAS的异常上调，我们筛选了16种具有临床相关性的治疗药物，并确定ES-Cu2?复合物为最佳诱导剂——利用PM病变对铜死亡的固有敏感性。为了对抗PM病变中的高GSH水平，我们合成了一个GSH耗尽脂质衍生物（GdL）。当GdL被细胞内化后，会降解为3,5-二氟-4-亚甲基环己-2,5-二烯-1-酮（FM），从而隔离过多的细胞内GSH并增强ES-Cu2?介导的铜死亡。为了克服肿瘤内的递送障碍，我们评估了4种纳米载体，并确定聚（2-二异丙胺）乙基甲基丙烯酸酯-聚（乙二醇）（PDPA-PEG）聚合物胶束是最有前景的肿瘤穿透递送平台，用于CRC-PM治疗。通过整合这些适应病理特征的成分，PGd-MC实现了协同的GSH耗尽和深度肿瘤渗透，从而增强了CRC-PM治疗的铜死亡效应。为了将纳米疗法直接递送到PM病变并减少在腹腔外组织的意外脱靶作用，我们采用了腹腔内注射的局部递送策略。我们在小鼠CT26模型和患者来源的异种移植（PDX）PM模型中评估了PGd-MC的肿瘤穿透能力、铜死亡诱导效果和治疗效果，以验证这一策略的可行性和有效性。
章节片段
基于病理特征的纳米疗法PGd-MC的合理设计
PGd-MC的设计基于CRC-PM患者PM肿瘤的独特病理特征，旨在促进肿瘤内递送、耗尽过多的GSH并增强铜死亡介导的细胞死亡，从而解决CRC-PM治疗中的关键限制。首先，通过免疫荧光检测确认了4例CRC-PM患者的PM组织和正常腹膜组织中关键铜死亡相关标志物FDX1和LIAS的表达（图1A和图S1）。
结论
总之，受CRC-PM患者PM肿瘤独特病理特征的启发，我们合理设计了一种能够有效穿透肿瘤并耗尽GSH的纳米疗法PGd-MC，以增强铜死亡介导的细胞死亡，从而有效治疗CRC-PM。PGd-MC在小鼠CT26来源的PM模型和PDX-PM模型中表现出强大的肿瘤穿透能力和延长的滞留时间。此外，PGd-MC治疗有效耗尽了细胞内的GSH。
CRediT作者贡献声明
赵晓：概念构思。池一飞：数据管理。王帅：软件开发。吴尧：方法学设计。卢毅：验证与资源协调。戴跃迪：软件开发。王仁杰：资源协调。高宇：数据管理。聂伟民：验证、项目管理和调查、数据管理。赵佳颖：监督。张志文：写作——审稿与编辑、初稿撰写。梁一宇：方法学设计。沙先一：写作——审稿与编辑、概念构思。黄明轩：软件开发、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
