AIEgen靶向STAT3?SUCLG2轴调控代谢用于结直肠癌治疗诊断学

《Aggregate》：AIEgen Targets the STAT3?SUCLG2 Axis to Regulate Metabolism for Colorectal Cancer Theranostics

　　

精准诊断与机制性治疗的整合仍是结直肠肿瘤学中的关键挑战。在此，研究人员基于三苯胺（TPA）核心，采用给体?受体（D?A）分子设计策略，引入吡啶受体以构建TPA-FB，这是一种具有聚集诱导发光（AIE）特性的衍生物。体外和体内实验均表明，TPA-FB可作为针对结直肠癌（CRC）的有效治疗诊断剂。受其分子结构和显著生物活性的启发，研究人员试图鉴定其特异性细胞靶点。研究人员发现TPA-FB直接结合并抑制STAT3的磷酸化，导致SUCLG2下调。SUCLG2的抑制进而破坏三羧酸（TCA）循环，减少琥珀酸及其下游代谢物，同时破坏关键的蛋白质琥珀酰化修饰。通过利用研究人员设计的AIEgen选择性破坏STAT3?SUCLG2轴，研究人员为CRC治疗药物的开发提供了变革性的视角。

## 论文解读：AIEgen靶向STAT3?SUCLG2轴调控代谢用于结直肠癌治疗诊断学

### 研究背景、问题与意义

结直肠癌（colorectal cancer, CRC）是全球第三大常见、第二大死亡率的恶性肿瘤。当前CRC管理面临诊断与治疗脱节的困境：传统成像手段无法提供治疗效应，而治疗药物缺乏特异性且常伴随严重毒性。因此，亟待开发能整合肿瘤特异性成像与靶向机制性干预的药物。聚集诱导发光探针（aggregation-induced emission luminogens, AIEgens）因其在聚集状态下荧光“开启”的特性，为治疗诊断学提供了理想的成像模式，克服了传统荧光团的聚集淬灭问题。三苯胺（triphenylamine, TPA）作为AIEgens中经典的电子给体单元，通过给体?受体（donor?acceptor, D?A）设计可同时实现长波长发射和高效活性氧产生。然而，AIEgens在CRC治疗诊断中的探索十分有限，且大多数AIEgens的作用机制尚不明确，制约了其生物学相关性和临床转化潜力。

STAT3的持续激活是CRC的标志性特征，驱动增殖、存活及代谢重编程等核心肿瘤进程。SUCLG2已被鉴定为STAT3在肺腺癌中的直接转录靶点，将STAT3信号与三羧酸（tricarboxylic acid, TCA）循环的调控功能连接起来。STAT3?SUCLG2轴构成CRC进展中的关键信号?代谢节点。然而，尚未有治疗诊断剂能选择性靶向并可视化该轴以实现精准癌症治疗。因此，研究人员开展本研究，旨在开发一种新型AIEgen，同时实现CRC成像和靶向STAT3?SUCLG2轴的代谢干预。

### 关键技术方法

研究人员采用以下关键技术方法：通过D?A分子设计合成AIEgen TPA-FB，并经核磁共振（NMR）和电喷雾电离飞行时间质谱（ESI?TOF?MS）确认结构；利用紫外?可见（UV?vis）吸收光谱和光致发光（PL）光谱表征光物理性质及AIE特性；使用CCK-8法评估细胞增殖抑制及患者来源肿瘤类器官（patient-derived tumor organoids, PDOs）进行体外药效验证；建立BALB/c裸鼠皮下异种移植模型（HCT116细胞）评价体内成像与抗肿瘤效果；开展RNA测序及基因集富集分析（gene set enrichment analysis, GSEA）鉴定差异基因与信号通路；采用液相色谱?质谱（liquid chromatography?mass spectrometry, LC?MS）进行非靶向代谢组学和同位素（U?13C葡萄糖）示踪分析；进行蛋白质琥珀酰化修饰组学测序；通过双荧光素酶报告基因检测启动子活性；利用细胞热转变分析（cellular thermal shift assay, CETSA）和药物亲和响应靶点稳定性分析（drug affinity responsive target stability, DARTS）及分子动力学模拟验证靶点结合。

### 研究结果

**2.1 合成一种基于给体?受体分子设计策略的新型AIEgen**：通过D?A工程合成TPA-FB，其结构经NMR和ESI?TOF?MS确认。UV?vis吸收光谱显示TPA-FB在二甲基亚砜（dimethyl sulfoxide, DMSO）中于460 nm处呈现显著的分子内电荷转移（intramolecular charge transfer, ICT）吸收带；以460 nm激发时，在640 nm处产生强荧光发射，斯托克斯位移达180 nm。AIE特性测试表明，在甲醇/异丙醚混合溶剂中，随异丙醚比例增加，荧光强度逐渐增强，在95%异丙醚时增强22.5倍，证实其为典型的AIE活性分子。

**2.2 TPA-FB抑制结直肠癌进展**：CCK-8实验显示TPA-FB对DLD1和HCT116细胞具有剂量依赖性抑制作用，IC??分别为11.46 μM和6.41 μM；而对正常肠上皮IEC-6细胞在10 μM浓度下无明显毒性。PDOs实验表明TPA-FB处理组类器官生长缓慢甚至在第6天崩解。共聚焦显微镜下观察到TPA-FB（10 μM）进入DLD1细胞产生红色荧光，且MitoSOX染色显示线粒体超氧化物水平显著升高，提示氧化还原平衡被破坏。体内成像显示，HCT116荷瘤裸鼠注射TPA-FB（5 mg/kg）后4小时肿瘤部位荧光达峰，之后逐渐衰减。在皮下异种移植模型中，TPA-FB治疗组肿瘤体积和重量显著降低；H&E染色未见肝、肾组织病理改变；肿瘤组织免疫荧光显示Ki-67表达下调。

**2.3 TPA-FB处理影响线粒体代谢平衡**：RNA转录谱分析显示TPA-FB（10 μM）处理DLD1细胞后差异表达基因显著；GSEA表明TPA-FB处理与线粒体蛋白复合物途径呈负相关。非靶向代谢组学火山图分析进一步揭示琥珀酸（succinate）水平在TPA-FB处理后下降。

**2.5 TPA-FB破坏线粒体琥珀酰化稳态**：琥珀酰化修饰组学测序鉴定并定量了大量修饰位点、肽段和蛋白质。火山图显示差异琥珀酰化肽段；Gene Ontology（GO）功能注释揭示TPA-FB处理组与对照组相比，在细胞代谢过程等关键生物学过程中发生显著扰动。

**2.6 TPA-FB结合STAT3转录调控SUCLG2表达**：双荧光素酶报告基因实验表明TPA-FB（10 μM）降低SUCLG2启动子活性。Western blot显示TPA-FB处理后磷酸化STAT3（p-STAT3）和SUCLG2蛋白水平均显著下降。CETSA和DARTS实验均证实TPA-FB可增强STAT3的稳定性或保护其免受蛋白酶水解，表明TPA-FB与STAT3直接相互作用。分子动力学模拟进一步揭示了TPA-FB与STAT3的结合模式。

### 讨论与结论

研究人员在讨论中指出，通过D?A工程设计的TPA-FB因推?拉电子效应在CRC细胞中呈现红色荧光，具有良好的细胞通透性；在皮下肿瘤模型中，荧光于注射后4小时达峰后逐渐下降。TPA-FB在体外和体内均能抑制CRC进展，且对正常细胞和肝肾组织毒性较低，但未来仍需在免疫功能健全动物模型中进行更系统的安全性评价。机制上，代谢组学和同位素示踪显示TPA-FB导致琥珀酸水平下降，伴随SUCLG2表达下调；蛋白质琥珀酰化修饰组学进一步揭示全局琥珀酰化改变。TPA-FB被鉴定为STAT3的直接结合剂，抑制其磷酸化，从而转录抑制SUCLG2表达，破坏TCA循环完整性和琥珀酰化稳态，最终抑制CRC进展。

研究结论部分原文翻译如下：总之，TPA-FB代表了一种新型AIEgen，通过抑制STAT3整合了CRC成像与代谢干预。虽然需要进一步的结构和功能验证，但研究人员的研究结果确立了AIEgens作为靶向STAT3的肿瘤代谢调节剂的新范式，为将其转化为CRC治疗诊断学铺平了道路。