硫化氢驱动的Janus纳米平台：全面干扰细胞内葡萄糖代谢并激活二硫死亡

《Journal of Colloid and Interface Science》：Hydrogen sulfide-driven Janus nanoplatforms for comprehensive disruption of intracellular glucose metabolism and activation of disulfidptosis

　　

• •
  DZQPP纳米粒子在肿瘤特异性微环境中释放Zn²⁺、H₂S和槲皮素，分别抑制糖酵解、OXPHOS和PPP。这种协同干预全面阻断了葡萄糖代谢，使代谢补偿网络完全失效。
• •
  葡萄糖代谢的破坏导致NADPH和ATP显著耗竭，引起氧化还原失衡和严重的氧化应激，进而促进二硫死亡。
• •
  异质结构中的DMON产生H₂S气体，赋予其类似马达的自驱动能力，从而增强细胞摄取。

引言

在肿瘤进展过程中，肿瘤细胞依赖葡萄糖代谢（GM）来满足增殖所需的能量和氧化还原稳态 [1], [2], [3]。由于肿瘤发展对GM的高度依赖，破坏GM已成为一种广泛研究的抗癌策略 [4], [5], [6]。GM的主要通路包括糖酵解、氧化磷酸化（OXPHOS）和磷酸戊糖途径（PPP）。目前的研究已将两条GM通路的抑制相结合以提高抗肿瘤效果 [7], [8]。Wei等人 [9] 构建了负载二甲双胍的CuFe₂O₄纳米平台，同时阻断糖酵解和OXPHOS，从而通过生物能量疗法与化学动力学/光热疗法的协同作用增强治疗效果。Zhang等人 [10] 将GKT831负载于透明质酸纳米粒子上，同时抑制糖酵解和OXPHOS，诱导肿瘤生物能量应激，并通过联合化疗实现显著的肿瘤抑制。然而，同时抑制糖酵解和OXPHOS会激活PPP作为代偿，从而维持肿瘤生长并限制治疗效果 [11], [12]。这是因为GM通路之间高度互联，并非独立运作 [13], [14], [15]。当其中一条通路受损时，其他通路会进行补偿，形成一个GM补偿网络，继续支持肿瘤生长 [16], [17]。因此，这种代谢适应使肿瘤抑制效果大打折扣。这种GM补偿网络也是肿瘤产生耐药性和可塑性的关键原因 [3], [18]。因此，要实现最佳治疗效果，必须彻底瓦解GM补偿网络。然而，当前的GM靶向策略往往忽视PPP，因此无法全面阻断GM或瓦解其补偿网络。

PPP在GM中发挥着关键作用，通过产生烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）及其他维持细胞氧化还原平衡和支持增殖所必需的关键代谢物 [1], [11], [14], [19]。此外，PPP在肿瘤细胞中高度活跃。葡萄糖被转化为葡萄糖-6-磷酸（G6P），G6P可进入PPP或继续进行糖酵解和OXPHOS相关代谢。当其他代谢通路被抑制时，多余的G6P被重新导向PPP，促进NADPH的产生以维持肿瘤生长 [20], [21]。因此，阻断PPP对于完全破坏GM补偿网络至关重要。槲皮素（Qu）是一种天然黄酮类化合物，具有良好的生物相容性。Qu与葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP⁺）催化结构域竞争性结合，而G6PD是PPP的限速酶 [22], [23], [24]。这种结合抑制了酶的活性，降低了细胞内NADPH水平，从而抑制PPP。此外，NADPH水平降低是诱导肿瘤细胞发生二硫死亡的关键触发因素 [25], [26]。二硫死亡是一种新型的程序性细胞死亡形式，具有肿瘤细胞特异性，可能绕过耐药机制。先前的研究通过葡萄糖耗竭来诱导二硫死亡，从而降低细胞内NADPH水平 [27], [28]。然而，肿瘤细胞可以代偿葡萄糖的缺失，使得葡萄糖耗竭难以实现，阻碍了有效的二硫死亡诱导。同时，代谢通路的相互作用和肿瘤异质性会抵消NADPH的降低，阻碍二硫死亡的发生。因此，全面抑制GM不仅能有效破坏细胞的代偿能力，还能同时抑制三磷酸腺苷（ATP）和NADPH的产生，从而激活二硫死亡。

在此，我们设计了一种由聚硫醚桥接的树枝状介孔二氧化硅（DMON）@ZIF-90@Qu@聚多巴胺（PDA）@聚乙二醇（PEG）构成的Janus结构纳米粒子，命名为DZQPP，旨在功能性破坏肿瘤细胞中的GM补偿网络，而不仅仅是抑制单一代谢通路。在肿瘤代谢中，糖酵解、OXPHOS和PPP高度互联，可以相互补偿以维持ATP产生、氧化还原稳态和细胞存活。因此，仅抑制其中一条或两条通路可能仍允许代谢适应，而同时干扰全部三条主要通路则有望更有效地瓦解这种代偿灵活性。基于此原理，DMON通过原位引入含四聚硫醚的硅烷与硅前驱体合成 [29]。随后，ZIF-90通过局部吸附策略在DMON表面定向生长，形成具有明确Janus结构的DMON@ZIF-90纳米粒子（DZ）。接着，将槲皮素和十四醇负载至介孔通道中，随后进行PDA和PEG的表面包覆（图1A）。在酸性且富含谷胱甘肽（GSH）的肿瘤微环境中（图1B），DZQPP释放Zn²⁺、Qu和硫化氢（H₂S）。在机制上，Zn²⁺通过抑制乳酸脱氢酶（LDH）活性来抑制糖酵解 [30], [31]；H₂S气体抑制COXIV，从而抑制OXPHOS [32], [33], [34]；Qu抑制G6PD，导致PPP被阻断。因此，DZQPP同时抑制ATP和NADPH的产生，损害细胞的能量供应和还原能力，从而破坏支持肿瘤细胞存活的代偿性代谢网络。此外，Janus结构不仅是一种结构特征，也是一种功能设计元素。DZQPP一端不对称地产生H?S赋予其自驱动能力，这可能有助于细胞内化并增强治疗效果。通过整合各向异性纳米结构、刺激响应性释放和三通路代谢干预机制，本研究提出了一种通过调节GM实现高效肿瘤治疗的独特策略。

此示意图由BioGDP创建。

章节摘要

化学试剂与缩写

咪唑-2-甲醛（C₄H₄N₂O，98%）购自上海TCI。槲皮素（Qu，≥95%）、DL-二硫苏糖醇（DTT，≥99%）购自阿拉丁。三乙醇胺（TEA，试剂级-98%）、多巴胺盐酸盐（PDA，98%）购自北京百威世科技有限公司。醋酸锌二水合物（CH₃COO)₂Zn?2H₂O，试剂级-98%）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，98%）、水杨酸钠（NaSal，99%）、四乙基 orthosilicate（TEOS，98%），

DZQPP的合成与表征

图2A展示了DZQPP Janus纳米粒子的详细制备过程。图2B通过透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）图像展示了DMON的树枝状形貌 [35]，平均直径约为220 nm。随后，ZIF-90通过局部吸附方法 [36] 在DMON一侧非对称地生长，形成了结构明确的Janus结构。DMON不仅作为载体 [35], [37], [38]，还发挥

结论

总之，我们成功开发了一种名为DZQPP的Janus纳米马达，能够同时调节多条GM通路。在肿瘤微环境的酸性和富含GSH条件下，DZQPP实现了对H?S、Zn²⁺和Qu的响应性释放，从而同时抑制OXPHOS、糖酵解和PPP。与以往报道的主要依赖双通路代谢干扰或活性氧增强疗法的体系 [7], [9], [46] 不同，DZQPP

CRediT作者贡献声明

黄路杰：撰写——初稿，可视化，软件，方法学，调查研究，形式化分析，数据整理，概念化。刘楠：撰写——初稿，验证，形式化分析，数据整理。任祥玲：撰写——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法学，调查研究，资金获取，数据整理，概念化。王东东：撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法学。吴琼：

伦理声明

本研究按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。

本研究获得技术物理与化学研究所动物关怀与使用委员会（IACUC）批准。

（批准编号：IACUC-IPC-2508-004）

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本研究中报告的工作。

致谢

本研究受北京市自然科学基金（7252294）、低温科学与技术国家重点实验室（E5ASB10301）资助。

黄路杰|刘楠|任祥玲|王东东|吴琼|陈增震|杨坤腾|刁杉会|傅昌辉|谭龙飞|公曼峰|孟贤伟