硫化氢清除双金属酚类网络通过诱导代谢重编程增强结直肠癌对铜死亡和铁死亡的敏感性

《Biomaterials》：H 2S-Scavenging Bimetallic Phenolic Network Induces Metabolic Reprogramming to Sensitize Colorectal Cancer to Cuproptosis and Ferroptosis

　　

## 摘要

结直肠癌（CRC）的治疗受到富含硫化氢（H?S）的肿瘤微环境及代谢失调（表现为瓦博格效应和高谷胱甘肽（GSH）浓度）的严重阻碍。在此，我们工程化设计了一种负载阿霉素的双金属多酚纳米平台（ZCTDFe），用于清除内源性H?S并诱导代谢重编程，从而增强肿瘤对铜死亡和铁死亡相关过程的敏感性，同时整合光热治疗（PTT）与化疗。通过"蚀刻-配位"策略，ZCTDFe在无细胞含硫条件下有效清除了H?S（75.2%）并促进CuS的形成，而细胞内TEM-EDS分析显示Cu-S沉积物，与清除反应结果一致。海马胞外通量分析揭示了一种双相生物能量学反应，表现为早期糖酵解活性降低伴随线粒体呼吸参与增加，随后线粒体呼吸和糖酵解功能受损。这种早期呼吸参与可能增加细胞对涉及脂酰化TCA相关蛋白的铜依赖性蛋白毒性应激的敏感性。这些代谢和分子变化伴随异常的DLAT寡聚化和Fe-S簇蛋白丧失，支持了铜死亡相关蛋白毒性应激的参与。同时，双金属中心引发类芬顿反应并增强GSH消耗，从而削弱GSH/GPX4抗氧化防御，促进铁死亡相关的脂质过氧化。药物挽救实验支持了铜死亡与铁死亡相关过程在整体多模式细胞毒性反应中的协同作用。体外和体内评估证实了该纳米平台具有显著的抗肿瘤疗效。该纳米平台在CRC模型中实现了显著抑制肿瘤生长，且在短期观察期内未出现明显的全身毒性。

## 引言

结直肠癌（CRC）仍是全球最常见和最致命的癌症之一，对全球健康构成重大威胁[1]。尽管在根治性手术、辅助化疗和靶向治疗领域取得了最新进展，晚期CRC患者的5年总生存率仍未显著改善[2]。目前，有效治疗受到高克隆异质性、获得性化疗耐药以及肿瘤微环境（TME）的保护效应等的严重限制[3]。因此，关注肿瘤的中央代谢特征以消除这些保护系统，成为CRC管理中的关键任务[4]。

CRC TME中内源性气体信号分子硫化氢（H?S）的病理性上调，为靶向干预提供了一个引人入胜的切入点[5]。既往研究报告称，半胱氨酸-β-合酶（CBS）和半胱氨酸-γ-裂解酶（CSE）的表达在CRC组织中显著升高，导致局部H?S浓度达0.3–3.4 mM，远高于邻近正常组织[6][7]。H?S的过量存在通过多条途径驱动CRC恶性进展：它作为线粒体电子供体促进ATP合成，启动增殖相关信号通路，刺激肿瘤血管生成，并参与化疗耐药[8][9][10]。在代谢调控方面，H?S通过双重机制协调瓦博格效应：一方面通过抑制线粒体复合体IV部分抑制氧化磷酸化（OXPHOS）[11][12]，另一方面通过激活PI3K/Akt通路刺激糖酵解[13][14]。值得注意的是，内源性H?S的产生和GSH的合成通过硫氨基酸代谢中半胱氨酸的可用性在代谢上相互关联。这种共享的代谢依赖性为当细胞内半胱氨酸池受到限制时可能产生的底物竞争提供了生化基础[15]。此外，H?S耗竭可能扰乱细胞氧化还原稳态并增加对以GSH为中心的抗氧化系统的代偿性依赖[16]。因此，H?S不仅是促肿瘤信号分子，更是肿瘤生物能量学与氧化还原稳态之间的关键枢纽[13]。这提示，选择性降低CRC TME中富集的H?S可能破坏肿瘤生物能量学并削弱抗氧化防御。

新兴的调控性细胞死亡（RCD）方式，包括铜死亡和铁死亡，有望解决CRC治疗耐药问题[17][18][19]。铜死亡由脂酰化线粒体蛋白聚集和Fe-S簇蛋白降解介导，依赖于线粒体呼吸和三羧酸（TCA）循环活性[20][21]。然而，CRC中普遍存在的瓦博格效应抑制了TCA循环通量[22]。这种代谢转变叠加TME中丰富GSH对铜离子的螯合，严重限制了铜死亡的激活效率[23][24]。相比之下，铁死亡由铁依赖性条件下脂质过氧物的致死性蓄积驱动[25]，并严格受GSH/GPX4系统负调控[26][27]。鉴于GSH既是铁死亡的关键调控因子，又是细胞内主要的内源性铜螯合剂[20]，这一共同的代谢枢纽表明，操纵上游代谢通量[28]以同时增强铜死亡和铁死亡具有巨大的治疗潜力[29][30]。

为精确协调这种多通路代谢干预[31][32]，智能且高度整合的递送平台的战略工程化至关重要[12][23]。纳米尺度金属有机框架（MOFs）[33][34][35]，特别是沸石咪唑酯骨架材料-8（ZIF-8），凭借其极高的比表面积、可调孔隙率和酸性TME中的固有pH响应性可降解性，已成为纳米医学中的有力竞争者[36][37][38]。然而，为避免载荷过早释放并整合多模式治疗组分，对MOFs进行审慎的表面工程化是非常必要的[39][40]。金属多酚网络（MPNs），由天然多酚（如单宁酸、TA）与过渡金属离子之间的快速超分子配位驱动，提供了一种优雅的解决方案[41][42]。TA可发挥双重功能：既可作为温和的蚀刻剂，对MOF骨架进行部分塑化以增加药物负载量，又可作为化学连接子与各种金属离子结合产生刺激响应性外壳[43][44]。关键的是，向这种MPN架构中有意引入不同的过渡金属，可能赋予纳米平台定制化的催化活性[45]和特定的气体清除特性[46][47]。

基于上述原理，在本研究中我们工程化设计了一种整合型双金属多酚网络纳米平台ZIF-8/Cu-TA/DOX/FePPy（记为ZCTDFe）用于H?S清除（图1）。与传统方法仅将H?S视为活性触发器的做法不同，我们将其定位为CRC的中央代谢调控因子，并提出"H?S耗竭驱动的代谢重编程"策略。我们假设，在CRC微环境中有效清除H?S可能激活两条代谢调控通路——生物能量重塑和氧化还原崩溃，从而使肿瘤细胞对铜死亡和铁死亡均产生敏感性。在生化层面，假设H?S清除可降低糖酵解活性并改变线粒体呼吸参与[48]，从而可能增加细胞对涉及脂酰化TCA相关蛋白的铜依赖性蛋白毒性应激的敏感性。同时，H?S清除可能扰乱硫代谢和氧化还原稳态，而纳米平台固有的GSH消耗能力与Cu/Fe介导的氧化应激共同削弱以GSH为中心的抗氧化防御，从而使细胞对铁死亡产生敏感性。从材料工程角度来看，这种双金属系统通过TA介导的"蚀刻-配位"策略构建。利用TA的多功能性，我们首先通过选择性蚀刻ZIF-8骨架实现药物负载，随后与Cu2?原位配位形成稳定的MPN外壳。这使得Cu元素可同时捕获H?S、在近红外（NIR）激光照射下生成作为强效光热剂的CuS纳米产物[49]，并提供生物可利用的铜以贡献于铜依赖性蛋白毒性应激。同时，骨架的酸响应性降解确保了 encapsulated DOX的pH响应性释放，发挥其强效化疗作用，而FePPy纳米粒子促进类芬顿氧化还原反应和铁死亡相关的脂质过氧化。最终，ZCTDFe将H?S响应性代谢重塑与化疗、光热损伤、铜依赖性蛋白毒性应激及铁死亡相关的氧化损伤整合为一体，实现多模式响应，其中铜死亡和铁死亡相关过程可相互强化。本研究探讨了H?S耗竭、肿瘤生物能量学与氧化还原稳态之间的关系，并为代谢失调的CRC提供了一种多模式纳米治疗策略。

## 章节片段

### ZCTDFe纳米平台的合成与表征

透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）成像显示，纯化的ZIF-8/Cu（记为ZC）纳米颗粒呈现均匀的双十二面体几何形态，表面光滑，平均直径约80 nm（图1a和1c）。经单宁酸（TA）处理后，在粗糙化的表面上观察到明显的蚀刻凹坑（图1b和1d）。这种形态变化源于对ZIF-8框架的选择性蚀刻，

### 结论

综上所述，我们报道了一种通过单宁酸介导的"蚀刻-配位"策略构建的肿瘤微环境（TME）响应性双金属多酚纳米平台（ZCTDFe）的合理设计与制备。ZCTDFe在富含硫离子条件下可清除H?S并促进Cu-S形成，从而实现近红外响应的光热行为以及代谢重塑。H?S的减少与一种双相生物能量学反应相关，该反应由初始阶段的降低组成

### 实验部分

**材料与仪器：** 所有化学试剂均为分析纯，未经进一步纯化即直接使用。关于材料、细胞系和分析仪器的详细信息见补充材料S1和S2部分。

**ZCTDFe纳米平台的合成与表征：** ZCTDFe纳米平台通过逐步的"蚀刻-配位"策略构建。简要而言，ZIF-8/Cu前驱体使用单宁酸（TA）进行选择性蚀刻，并

### CRediT作者贡献声明

吴燕平：数据整理。吴怡霏：数据整理。赵哲宇：数据整理。朱顺华：数据整理。刘冠鸿：数据整理。张扬：写作——审阅与编辑，可视化，概念设计。张敏：写作——审阅与编辑，可视化，监督指导。李莉：写作——审阅与编辑，可视化，监督指导。唐燕燕：写作——初稿撰写，调查研究，数据整理

### 未引用参考文献

[55]，[58]。

### 利益冲突

作者声明，不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

### 数据可用性声明

支持本研究结果的所有数据均可在本文及其补充信息文件中获得，并可在合理请求下从通讯作者处获取。

### 生成式AI和AI辅助技术在写作中的声明

ChatGPT AI工具被用于辅助写作过程中的句子改写。随后，所有作者进行了全面审查和手动编辑以完善手稿。作者确认对本出版物中的所有信息和结论承担完全责任。

### 利益冲突声明

? 作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

### 致谢

作者感谢徐州医科大学公共实验研究中心核心设施提供的技术支持，特别是共聚焦成像和流式细胞术核心设施。本研究得到江苏省高校基本科研（自然科学）研究项目（编号：KY13022512）、徐州医科大学附属医院人才引进科研启动资金（编号：2025203002）资助，以及先进

### 作者信息

**唐燕燕|吴燕平|吴怡霏|赵哲宇|朱顺华|刘冠鸿|张扬|张敏|李莉**

徐州医科大学第一临床医学院消化疾病研究所，江苏省徐州市 221004，中国