2022-04-19
《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》
影響因子：18.808
文章題目：Ultrasound-Augmented Nanocatalytic Ferroptosis Reverses Chemotherapeutic Resistance and Induces Synergistic Tumor Nanotherapy
技術手段：RNA-seq等
派森諾生物與上海市第一人民醫院攜手合作，在國際著名期刊《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》上發表超聲增強納米催化鐵死亡，逆轉化療耐藥性和誘導協同腫瘤納米治療的研究成果，影響因子18.808。
多重耐藥(Multiple drug resistance, MDR)是導致化療療效不理想甚至失敗的重要原因之一，如何克服腫瘤耐藥的挑戰已成為臨床抗腫瘤化療的關鍵問題。誘導鐵死亡已被公認為是一種新興的殺死耐藥腫瘤細胞的策略，但如何在腫瘤部位有效誘導鐵死亡并提高其治療效果仍具有很高的挑戰性。
二、技術路線
三、研究內容
GDL的設計、制備與表征
首先研究合成GA-Fe(II)納米復合物，實驗驗證了GA-Fe(II)作為Fenton催化劑的性能，在MB降解實驗的基礎上，GA-Fe(II)納米催化劑保持了長達28天的Fenton催化活性。其催化穩定性來源于Fe3+與Fe2+的配位轉化，而不像游離Fe2+容易被溶解氧氧化(圖1g)，保證了Fenton反應長期催化生成?OH。采用膜分散法制備GDL（圖1b），采用類似方法合成DOX@liposome (DL)或GA-Fe(II)@脂質體(GL)。實驗證實了DOX和GA-Fe(II)的包封。
本研究采用紫外-可見-近紅外光譜(UV-vis - NIR)評價US控制DOX的釋放；US能夠有效促進脂質體中游離GA-Fe(II)和GA-Fe(II)的Fenton反應也得到了實驗支持。
圖1 GA-Fe(II)和GDL的表征
US對細胞攝取和細胞毒性的協同作用
CF-7/ADR乳腺癌細胞株為實驗對象，評價超聲照射對納米脂質體吸收的促進作用。結果顯示，超聲照射組在指示時間點的Fe積累顯著高于未超聲照射組(p < 0.05)，進一步說明了超聲增強GDL細胞攝取的作用。
通過升高濃度的GDL孵育MCF-7/ADR細胞，評價GDL的細胞毒能力。如圖2e所示，GDL對細胞的殺傷能力表現出顯著的濃度依賴性。細胞活力的降低與超聲時間和功率呈正相關(圖2g)，這進一步證實了US照射的協同抗癌作用。以上研究結果均證明， GDL+US治療可顯著逆轉MCF-7/ADR乳腺癌細胞的耐藥。在其他人類癌細胞株，CCK-8試驗結果顯示其具有強大的細胞殺傷作用。
圖2 US對細胞攝取和細胞毒性的協同作用
被GDL支持的US-增強納米催化鐵死亡
研究證實US照射可有效增強鐵死亡，并對MCF-7/ADR癌細胞產生顯著的細胞毒性。為進一步探討GDL+US治療的潛在抗腫瘤作用機制，PBS、DL或GDL+US分別孵育24 h后，收集不同治療組的癌細胞進行轉錄組分析。
實驗對差異基因進行聚類分析（圖3a）。Venn圖(圖3b)顯示，與control vs DL相比，control vs GDL+US組有149個共有差異基因和507個特有的差異表達基因。與DL組比較，GDL+US組上調基因189個，下調基因226個(fold change≥2,p < 0.05)(圖3c)。為了進一步研究，我們通過KEGG富集分析，研究GDL+US處理的MCF-7/ADR細胞的鐵死亡誘導情況。與DL組相比，GDL+US組差異表達基因富集于鐵死亡相關通路，包括“丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸代謝”通路(與GSH合成相關)、“鐵死亡”通路、以及“谷胱甘肽代謝”通路(與GSH代謝相關)(圖3d)，直接證實了GDL+US治療可有效誘導MCF-7/ADR癌細胞發生鐵死亡。隨后研究進一步證實了GDL+US能有效誘發MCF-7/ADR細胞的納米催化鐵死亡。
圖3被GDL支持的US-增強納米催化鐵死亡
超聲增強納米催化鐵死亡逆轉癌細胞耐藥研究
采用流式細胞儀進一步考察其對MCF-7/ADR細胞的殺傷作用，結果表明GDL+US可以有效地殺死dox耐藥的MCF-7癌細胞。此外，根據之前的轉錄組測序結果，GDL+US處理組和DL處理組的差異表達基因不僅在鐵死亡相關通路中富集，而且在HIF-1α signaling pathway中，AMPK signaling pathway，PI3K-Akt signaling pathway 上富集(圖3d和圖4a,b)。研究還探索了細胞周期相關基因的GO功能富集分析，以證實細胞增殖在組間的差異(圖4 e,f,g)。在GDL+US組，篩選出了相對下調的CREB、PGC-1α和Bcl-2基因。
圖4 轉錄組分析
研究進一步揭示了GDL+US治療使耐藥細胞對腫瘤化療敏感的分子機制：GDL+US在逆轉腫瘤細胞DOX耐藥方面的高療效歸因于GDL聯合US照射的高效內化和細胞內積累。導致線粒體損傷，調節細胞增殖，使DOX耐藥的MCF-7/ADR細胞處于凋亡敏感狀態，最終觸發DOX誘導的癌細胞凋亡。因此，這種協同凋亡和鐵細胞下垂策略可以提高DOX耐藥癌細胞的殺傷效率。
基于鐵死亡的體內抗腫瘤治療逆轉癌細胞耐藥的研究
研究發現由于腫瘤細胞固有的鐵死亡已知作用導致了化療耐藥，而超聲增強的納米催化下的鐵死亡能有效阻斷這種耐藥機制，最終誘導出以上鐵/細胞凋亡為基礎的協同作用抗腫瘤治療。進而實驗證明GDL+US在體內獲得了最佳的抗腫瘤效率，克服甚至逆轉化療耐藥性；而 GA-Fe(II)誘導的Fenton反應與US協同作用可顯著增強腫瘤內氧化。
四、研究結論
在此，本文報道了一種基于Fenton催化和GA-Fe(II)誘導鐵死亡功能的復合脂質體納米系統，該系統可雙重誘導鐵死亡/腫瘤細胞的凋亡途徑。在構建的脂質體系統中，GA-Fe(II)復合物可不斷催化?OH的生成，導致GSH的消耗，細胞內鐵元素的積累，LPO的生成增強，主動觸發腫瘤細胞內鐵依賴的鐵死亡途徑。此外，協同US照射可有效提高納米藥物的內吞作用，增強/加速腫瘤內Fenton反應，控制藥物在腫瘤部位的被動釋放，增強納米催化抑瘤作用。深入分析mRNA測序結果發現，超聲增強的Fenton反應通過下調PGC-1α和Bcl-2的表達，可導致線粒體功能障礙和細胞增殖抑制，使DOX耐藥的MCF-7/ADR細胞處于凋亡敏感狀態。實現逆轉化療耐藥性。超聲增強納米催化療法通過雙鐵活化/細胞凋亡觸發策略，重塑DOX耐藥腫瘤的敏感性，有效抑制腫瘤生長，這對于探索其他以鐵死亡為靶點的協同納米治療方案來殺死耐藥腫瘤具有重要意義。
本研究的RNA測序和數據分析工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。
原文索引：Yi Zheng, Xin Li, Caihong Dong, Li Ding, Hui Huang, Tianhu Zhang, Yu Chen,Rong Wu. Ultrasound-Augmented Nanocatalytic Ferroptosis Reverses Chemotherapeutic Resistance and Induces Synergistic Tumor Nanotherapy. 2022 Jan 19:34(4). doi: 10.1002/adfm.202107529.
