响应肿瘤微环境的纳米声敏剂，用于增强声动力疗法及通过焦亡途径诱导的抗肿瘤免疫反应

《Nano Today》：Tumor microenvironment-responsive nanosonosensitizers for enhanced sonodynamic therapy and pyroptosis-mediated antitumor immunity

　　

摘要

声动力疗法的有效性仍受限于声敏剂产生活性氧的效率较低以及肿瘤微环境的缺氧状况。为克服这些难题，我们设计了一种能响应肿瘤微环境变化的纳米声敏剂（MnS/ZnS-PEG，MZSP），该材料可缓解缺氧、高效产生活性氧、打破离子平衡并激活抗肿瘤免疫反应。通过共生长法制备的MnS/ZnS复合材料具有丰富的缺陷结构，使得MZSP在超声作用下能够高效产生活性氧。在弱酸性的肿瘤微环境中，MZSP会释放硫化氢，从而增强血管通透性和氧气供应，提升声动力疗法的效果。在超声照射下，MZSP会产生大量活性氧，破坏线粒体功能，减少三磷酸腺苷的生成，并抑制Na⁺/K⁺-ATP酶的活性，进而导致细胞内离子失衡，触发NLRP3炎症小体反应并引发caspase-1的活化。此外，MZSP释放的Zn²?还会进一步损害线粒体功能，强化caspase-1的活化作用。这些协同效应可有效诱导焦亡，促使细胞释放损伤相关分子模式，进而激发抗肿瘤免疫反应。本研究提出了一种将硫化氢、金属离子和活性氧结合用于联合肿瘤治疗的新型策略，为利用金属硫化物提升声动力疗法效果提供了新的设计思路。

引言

作为一种无创治疗手段，声动力疗法可通过超声激活声敏剂产生活性氧，从而有效治疗深层组织，展现出在癌症治疗中的巨大潜力[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，该疗法面临着两大主要挑战。首先，大多数声敏剂的活性氧生成效率较低，限制了其治疗效果[6]、[7]。为此，人们提出了多种策略来提升声敏剂的性能[8]、[9]，比如通过掺杂进行缺陷工程设计，以改善超声激发产生的电子和空穴的分离效果，进而提高活性氧的生成量[10]、[11]、[12]。其次，肿瘤的缺氧状况会降低声动力疗法的效果，因为活性氧的生成需要氧气[13]。尽管有研究尝试使用携氧物质或H₂O₂催化产氧的方法来缓解肿瘤缺氧、提升疗法效果[14]、[15]，但这些方法的供氧能力仍然有限。内源性的气体信号分子硫化氢能够增强血管通透性并抑制线粒体呼吸，从而缓解缺氧状况[16]、[17]、[18]。因此，在肿瘤微环境中持续释放硫化氢有望有效改善缺氧问题，进一步提升声动力疗法的效果。

细胞内的金属离子是多种生理功能的关键调节因子，而金属离子平衡被打破则可能导致包括凋亡、焦亡、铁死亡和铜死亡在内的多种程序性细胞死亡，同时还能刺激抗肿瘤免疫反应[19]、[20]。Mn²⁺可通过类似芬顿反应的方式促进·OH的产生，并激活cGAS-STING通路，从而促进树突状细胞的成熟及T细胞的活性[21]、[22]、[23]。Zn²⁺则会损害线粒体功能，激活caspase?1，并通过NLRP3炎症小体/Gasdermin D N末端片段通路诱导焦亡，释放损伤相关分子模式和促炎细胞因子，进而激发抗肿瘤免疫反应[24]、[25]、[26]。含有金属离子的复合声敏剂在协同杀死肿瘤细胞及逆转免疫抑制的肿瘤微环境方面具有天然优势[27]、[28]、[29]。不过，将声动力疗法、金属离子调控、缺氧缓解以及抗肿瘤免疫激活整合为一种统一的治疗策略仍然面临巨大挑战。

本研究提出了一种能响应肿瘤微环境变化的金属硫化物纳米声敏剂（MnS/ZnS-PEG纳米粒子，MZSP NPs），该材料能够实现硫化氢释放、活性氧生成、离子失衡以及免疫激活等功能（见图1）。MZSP纳米粒子是通过共生长法制备的，其具有丰富的缺陷结构的掺杂型结构，这使得它在超声激发下能够高效产生活性氧。在弱酸性的肿瘤微环境中，MZSP纳米粒子会释放硫化氢，增强血管通透性并缓解缺氧，进而提升声动力疗法的效果。在超声照射下，MZSP纳米粒子会产生大量活性氧，破坏线粒体功能，减少三磷酸腺苷的生成，并抑制Na⁺/K⁺-ATP酶的活性，从而导致细胞内离子失衡，触发NLRP3炎症小体/caspase?1通路。与此同时，MZSP纳米粒子释放的Zn²⁺还会进一步损害线粒体功能，强化caspase?1的活化作用。这些协同作用共同诱导焦亡，促使细胞释放损伤相关分子模式，进而激发抗肿瘤免疫反应。细胞实验和动物实验均表明，MZSP纳米粒子能够有效抑制肿瘤生长并激活抗肿瘤免疫反应。本研究提出了一种将硫化氢、金属离子和活性氧结合用于联合肿瘤治疗的新型策略，为利用金属硫化物提升声动力疗法效果提供了新的设计思路。

章节节选

结果与讨论

MZSP纳米粒子是通过共生长法制备的，随后在其表面进行了PEG修饰。在高温反应过程中，MnS和ZnS纳米粒子共生长形成具有丰富缺陷的掺杂型结构，这使得其在超声刺激下能够更高效地产生活性氧。之后，将MZS纳米粒子与DSPE-PEG2000一起分散在氯仿中，经过超声处理和旋转蒸发后，即可得到亲水性的MZSP纳米粒子。DSPE-PEG2000能够有效改善

结论

本研究提出了一种能响应肿瘤微环境变化的MZSP平台，可用于提升声动力疗法的效果并借助焦亡机制激发抗肿瘤免疫反应。富含硫空位的MZSP在超声刺激下能够高效产生活性氧。在弱酸性的肿瘤微环境中，MZSP可响应性地释放硫化氢，从而缓解缺氧状况，进一步提升声动力疗法的效果。超声引发的活性氧生成以及加速的Zn²⁺释放可协同破坏线粒体功能，进而强化caspase?1的活化作用，最终共同诱导焦亡现象。

CRediT作者贡献说明

周婷：原文撰写、实验研究、数据整理。罗瑞新：实验研究、数据整理。赵泽军：可视化处理。王世杰：统计分析。谢少伟：原文审阅与编辑、研究指导、统计分析、概念设计。胡俊毅：实验研究。刘培峰：原文审阅与编辑、研究指导、方法设计。韩悦：原文审阅与编辑、结果验证、研究指导。刘希健：原文审阅与编辑、研究指导、项目管理。

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

本研究得到了上海“医学人才新星”青年人才计划的资助。

Ting Zhou|Ruixin Luo|Zejun Zhao|Shijie Wang|Junyi Hu|Peifeng Liu|Yue Han|Xijian Liu|Shaowei Xie

上海工程技术大学化学与化工学院，中国上海201620