《Biomaterials》：Photothermal targeting of lactate metabolism reverses radioresistance via disrupting the immunosuppressive barrier
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Hongpei Deng|Liyang Zhou|Hao Tian|Huimin Lin|Liang Ma|Bo Ma|Feng Wang|Zixuan Gao|Shengfang Ge|Chuanbin Mao|Daxiang Cui|Jing Ruan中国上海市200011，
Hongpei Deng|Liyang Zhou|Hao Tian|Huimin Lin|Liang Ma|Bo Ma|Feng Wang|Zixuan Gao|Shengfang Ge|Chuanbin Mao|Daxiang Cui|Jing Ruan
中国上海市200011，上海交通大学医学院第九人民医院眼科，眼健康国家重点实验室、眼眶疾病与眼部肿瘤学上海重点实验室
摘要
放疗常常因肿瘤细胞的放射抵抗和免疫原性不足而效果不佳。本研究通过多组学分析发现，糖酵解与DNA损伤修复之间存在显著关联，二者都与放疗抵抗及患者生存率低下有关。为解决这一问题，我们研发了一种温和的热响应型放射增敏剂GQD@PDA/Au，该物质在光热刺激下可重新调控糖酵解代谢，从而抑制乳酸积累。乳酸水平的降低会加剧DNA损伤和双链DNA断裂，进而通过激活cGAS-STING通路、诱导肿瘤免疫细胞死亡以及促进树突状细胞成熟，提升肿瘤的放射免疫原性。这项研究构建了一个具有临床应用前景的平台，可通过温和的热响应型放射增敏作用克服放疗抵抗并增强抗肿瘤免疫力。
引言
放疗是恶性肿瘤的主要局部治疗手段，超过50%的癌症患者会接受放疗，目的或是治愈疾病或是缓解症状[1]、[2]。尽管放疗在消除肿瘤方面取得了显著进展，但肿瘤细胞的放射抵抗仍然是导致放疗失败、影响预后的重要原因[3]、[4]。此外，越来越多的临床前和临床研究表明，放疗可作为一种原位疫苗，触发全身性的免疫反应[5]、[6]、[7]、[8]、[9]，但所引发的免疫反应通常较弱且不够充分。这一点在大多数将放疗与免疫疗法结合的临床试验中得到了体现，这些试验未能显示出明显的协同效应[10]、[11]。因此，了解肿瘤细胞放射抵抗的机制对于制定合理的策略、在临床癌症治疗中同时提高放疗效率并激发抗肿瘤免疫力至关重要。
放疗的主要作用机制是诱导DNA损伤，但其疗效受到肿瘤组织与正常组织比例以及增敏剂增效比例的限制。虽然已有多种放射增敏剂被开发出来，用以改善药物的靶向递送和增效效果[12]、[13]、[14]，但治疗效果仍受DNA损伤修复途径的制约[15]、[16]、[17]、[18]。近期研究指出，肿瘤的代谢特性与放疗抵抗之间存在密切关联[19]、[20]、[21]、[22]。值得注意的是，瓦博格效应（有氧糖酵解）是癌症代谢的特征，表现为葡萄糖摄取增加和乳酸生成增多[23]、[24]。失调的糖酵解日益被视为治疗抵抗的关键驱动因素。例如，糖酵解代谢产物丙酮酸可通过促进γ-H2AX在染色质上的聚集，增强胶质母细胞瘤的放射抵抗能力[21]；而肿瘤内的细菌则可通过改变乳酸信号通路来赋予肿瘤抵抗性[25]。抑制乳酸脱氢酶A可促使代谢从糖酵解转向线粒体呼吸，增加活性氧的产生，阻碍DNA损伤修复，从而提高肿瘤对放疗的敏感性[26]。此外，乳酸还与一种名为乳糖化的新翻译后修饰机制有关，这种机制可通过改变蛋白质结构来减轻DNA损伤[27]、[28]、[29]。例如，DNA损伤修复所需的关键复合物MRE11-RAD50-NBS1的形成依赖于NBS1的乳糖化修饰，这一过程既有助于DNA损伤修复，又会削弱癌症疗法的效果[28]。综合来看，抑制糖酵解和调节乳酸代谢有望成为改善放疗疗效的有效途径。
目前降低乳酸水平的策略主要包括抑制相关代谢酶或利用纳米酶清除乳酸[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。然而，这些方法的效力往往因稳定性较差和存在脱靶效应而受限。另一种方法是热疗，这是一种辅助治疗手段，通过暂时将组织温度升高到45°C以上，通过氧化还原损伤或阻断糖酵解来诱导癌细胞死亡[36]、[37]。尤其是温和的光热刺激已被证明能够抑制糖酵解途径，同时增强线粒体的氧化磷酸化作用[38]、[39]、[40]。尽管许多研究证实，温和热疗可与放疗协同作用，抑制DNA修复并提高治疗效果[41]、[42]、[43]、[44]，但将温和光热刺激与乳酸清除结合，以提高肿瘤对放疗的敏感性的机制尚未得到充分研究。
除了直接作用外，热疗本身还能增强抗肿瘤免疫力[37]，美国食品药品监督管理局已批准将热疗与特雷梅利姆单抗（抗CTLA-4）和尼伏卢单抗（抗PD-1）等免疫检查点抑制剂联合用于临床试验[45]、[46]。放疗抵抗往往会阻碍损伤相关分子模式的释放以及双链DNA的积累，进而抑制免疫细胞死亡反应以及cGAS-STING通路的激活。因此，重塑肿瘤微环境对于提升放疗的免疫原性至关重要。需要指出的是，乳酸和乳糖化作用会在多种肿瘤中形成抑制免疫功能的肿瘤微环境[47]、[48]、[49]，这意味着抑制乳糖化介导的DNA损伤修复，有望同时减弱肿瘤的放射抵抗并增强免疫反应。不过，热疗是否可以通过抑制乳糖化来增强放射免疫疗法，目前仍是一个未解之谜。
为解决这些尚未解决的问题，我们设计并合成了一种温和的光热响应型放疗增敏剂GQD@PDA/Au，其中石墨烯量子点和金纳米粒子可作为强效的放射增敏剂，促进活性氧的产生。金纳米粒子构成的外壳既是放疗增敏剂，又能提供温和的光热刺激，从而抑制乳酸积累并加剧DNA损伤。累积的双链DNA会进一步激活cGAS-STING通路，协同诱导肿瘤免疫细胞死亡，最终增强抗肿瘤免疫力（见图1）。这种新型放疗增敏剂能够同时实现光热刺激、糖酵解代谢重编程以及肿瘤微环境重塑，从而为那些对放疗或免疫疗法耐药的癌症患者带来更好的治疗效果。
章节要点
糖酵解与肿瘤临床结局及放疗的关系
为确定糖酵解和DNA损伤修复是否可作为有效治疗肿瘤及克服放疗抵抗的目标，我们对癌症基因组图谱数据库中的数据进行了全面分析。如图1A-D所示，高水平的糖酵解和DNA损伤修复与较差的总体生存率相关。值得注意的是，糖酵解与DNA损伤修复呈正相关关系（见图1E、F），这说明异常活跃的糖酵解可能有助于DNA损伤修复的进行。此外，我们还对公共数据库中的单细胞RNA数据进行了分析
讨论
肿瘤细胞的放射抵抗通常是由肿瘤异质性、免疫抑制性微环境、代谢紊乱以及细胞周期异常等因素共同导致的，这些因素会引发肿瘤复发和转移，进而严重影响临床治疗效果[4]。高原子序数金属氧化物纳米颗粒NBTXR3（AuroShell?）已被认定为首个此类放射增强剂[73]、[74]，但其临床应用受到其产生的次级辐射作用范围极短的限制
结论
综上所述，我们研发的这种新型放射增敏剂GQD@PDA/Au对光热刺激和先天免疫反应均有良好响应，能够有效抑制原发性和转移性黑色素瘤的生长。温和的光热刺激可通过降低肿瘤内的乳酸水平及蛋白质的乳糖化修饰，抑制DNA损伤修复，进而增强放疗引起的DNA损伤。由于DNA损伤修复功能受损且双链DNA不断积累，该放射增敏剂还能通过诱导肿瘤免疫细胞死亡、激活cGAS-STING通路等方式，进一步增强抗肿瘤免疫力
材料
石墨烯量子点由南京京坦纳米科技有限公司提供。Tris-HCl（pH=8.5）、三水合四氯金酸（HAuCl?·3H?O）和L-抗坏血酸由美国Sigma-Aldrich公司提供。多巴胺、二氢罗丹明123和四甲基联苯胺由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供。细胞计数试剂盒-8由日本Dojindo公司提供。钙黄绿素乙酰氧甲基酯/碘化丙啶复合物则用于检测细胞活性
CRediT作者贡献说明
Huimin Lin：文章撰写——审阅与编辑、方法学、实验研究、概念设计。Liyang Zhou：文章撰写——审阅与编辑、可视化处理、方法学、实验研究。Hao Tian：文章撰写——审阅与编辑、方法学、实验研究、概念设计。Feng Wang：可视化处理。Zixuan Gao：可视化处理。Liang Ma：可视化处理、方法学研究。Bo Ma：可视化处理。Daxiang Cui：文章撰写——审阅与编辑、项目监督。Jing Ruan：文章撰写——审阅与编辑、初稿撰写
利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：81972530、82371103、12275178）、上海市科学技术委员会（项目编号：23ZR1445300）、上海交通大学的转化医学开放项目（项目编号：TMSK-2024-302）以及上海交通大学医学院的“二百人才计划”（项目编号：20221705）的支持。
