眾所周知，腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出與健康細(xì)胞截然不同的代謝表型，以滿足不受控制的細(xì)胞增殖的要求。雖然一些代謝途徑，包括糖酵解、磷酸戊糖途徑和脂肪酸合成，被過度激活，但一些途徑，如三羧酸循環(huán)，被抑制。到目前為止，大多數(shù)癌癥代謝療法都專注于抑制過度活化的代謝途徑。例如，抗糖酵解藥物山莨菪堿和紫草素已在臨床上用于治療各種癌癥，抑制過度活躍的雌激素合成途徑的芳香化酶抑制劑對(duì)癌癥患者具有治療作用。
腫瘤中大多數(shù)被抑制的代謝途徑是細(xì)胞類型特異性的，它們的特殊功能可能對(duì)腫瘤增殖沒有必要。例如，與正常肝細(xì)胞相比，癌癥中的糖異生減少或缺失，與黑素細(xì)胞相比，黑素瘤中的黑素生成顯著下調(diào)。此外，已經(jīng)報(bào)道了細(xì)胞類型特異性代謝和細(xì)胞增殖途徑之間的拮抗作用。例如，據(jù)報(bào)道，在癌癥中促進(jìn)糖異生可減少轉(zhuǎn)化為新細(xì)胞生長(zhǎng)的生物合成前體的葡萄糖量，而在癌癥中增加檸檬酸鹽的產(chǎn)生和分泌可抑制檸檬酸鹽氧化產(chǎn)生ATP的過程，從而影響癌癥前列腺的生長(zhǎng)。
為了激活信號(hào)通路，常見的方法是篩選關(guān)鍵酶的激活劑，這通常耗時(shí)且昂貴，并且酶激活劑的生物利用度通常較低。除此之外，據(jù)報(bào)道，氨基酸和脂肪酸等特定營(yíng)養(yǎng)素可作為特定代謝途徑的激活劑。營(yíng)養(yǎng)素是安全和容易獲得的，但癌癥細(xì)胞靶向效率低和游離營(yíng)養(yǎng)素?cái)z入不足是任何實(shí)際應(yīng)用的限制因素。
成果簡(jiǎn)介:
基于逆向思維，同濟(jì)大學(xué)/復(fù)旦大學(xué)步文博、悉尼科技大學(xué)金大勇、復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院吳金峰等人提出了一種基于營(yíng)養(yǎng)的代謝再激活策略來治療腫瘤。
這一策略需要兩個(gè)步驟，選擇特定腫瘤的抑制代謝，然后使用納米技術(shù)將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)封裝到生物相容性膠束中，以達(dá)到高遞送效率。該研究專門針對(duì)皮膚黑色素瘤（SKCM）的治療。首先，在SKCM原發(fā)性腫瘤和轉(zhuǎn)移患者中，使用癌癥基因組圖譜（TCGA）基因特征的單樣本基因集富集分析（ssGSEA），研究人員發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移性SKCM中基因特征“KEGG MELANOGENESIS”顯著下調(diào)，與高核心組相比，ssGSEA評(píng)分低的SKCM患者與較差的5年生存結(jié)果相關(guān)。這些結(jié)果表明，黑色素生成代謝在晚期SKCM中受到抑制。
然后，研究人員使用基于Tyr的可降解納米膠束（MTyr–OANPs）補(bǔ)充L-酪氨酸（Tyr），以恢復(fù)黑色素生成，用于黑色素瘤治療，并發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)從MTyr-OANPs釋放的大量Tyr可以重新激活黑色素合成。在黑色素生成激活過程中，黑色素中間體引起的糖酵解減少會(huì)阻礙細(xì)胞周期。此外，在內(nèi)源性產(chǎn)生的黑色素具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能的基礎(chǔ)上，將光熱療法（PTT）應(yīng)用于這些MTyr–OANP處理的細(xì)胞進(jìn)行一次–兩次沖擊處理。
圖|基于營(yíng)養(yǎng)的黑色素瘤代謝重激活策略
MTyr–OA納米膠束增強(qiáng)酪氨酸補(bǔ)充
MTyr4–OA分子通過MTyr4與油胺的酰胺化反應(yīng)合成，形成具有親水性甘露糖(M)、短肽Tyr4和疏水性油胺(OA)的兩親性納米膠束MTyr–OANPs。MTyr–OANPs具有約60 nm的尺寸、優(yōu)異的分散性和狹窄的粒徑分布，具有+40.39 mV的高zeta電位，有助于細(xì)胞高效吸收。MTyr–OANPs能在肽酶共處理下釋放L-酪氨酸單體，顯示出在生理環(huán)境中的潛在應(yīng)用。由于其兩親性和正電荷特性，MTyr–OANPs能在2小時(shí)內(nèi)被細(xì)胞內(nèi)吞并持續(xù)12小時(shí)。與同等濃度的游離L-酪氨酸相比，MTyr–OANPs培養(yǎng)的細(xì)胞顯示出更多的細(xì)胞內(nèi)L-酪氨酸。MTyr–OANPs在體外對(duì)正常細(xì)胞具有很好的生物相容性，即使在高達(dá)1.0 mg/ml的濃度下，對(duì)小鼠的健康或體重也無負(fù)面影響，劑量為100 mg/kg。
圖|MTyr–OANPs的穩(wěn)定性、生物相容性和遞送效率
MTyr–OANPs促進(jìn)黑色素生成并阻止細(xì)胞周期
MTyr–OANPs通過增加酪氨酸酶活性和促進(jìn)黑素體合成，顯著激活了黑色素生成，并抑制了B16F10細(xì)胞的生長(zhǎng)和細(xì)胞周期的G2/M期，同時(shí)在多種人類黑色素瘤細(xì)胞中也觀察到生長(zhǎng)抑制和黑素生成增加。此外，MTyr–OANPs通過降低基質(zhì)金屬蛋白酶2和9的表達(dá)，抑制了黑色素瘤細(xì)胞的遷移，表明持續(xù)的L-酪氨酸刺激誘導(dǎo)的黑色素合成可能不會(huì)像紫外線輻射等其他促進(jìn)黑色素生成的刺激一樣觸發(fā)轉(zhuǎn)移。
圖|MTyr–OANPs促進(jìn)黑色素生成和抑制黑色素瘤細(xì)胞生長(zhǎng)及遷移的效率的定量分析
黑色素生成過程中的中間體抑制糖酵解
通過RNA測(cè)序和差異表達(dá)基因分析，研究人員發(fā)現(xiàn)MTyr–OANPs處理的細(xì)胞中，與細(xì)胞增殖和代謝途徑顯著下調(diào)有關(guān)。特別是，MTyr–OANPs通過抑制糖酵解過程中的關(guān)鍵限速酶丙酮酸激酶（PKM）的活性，減少了腫瘤細(xì)胞的能量供應(yīng)，從而抑制了B16F10細(xì)胞的增殖。此外，黑色素生成過程中的中間產(chǎn)物，如吲哚-5，6-醌，與PKM有特異性結(jié)合，進(jìn)一步抑制了糖酵解，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。這些結(jié)果揭示了MTyr–OANPs激活黑色素生成對(duì)腫瘤細(xì)胞代謝特別是糖酵解的顯著影響，為腫瘤治療提供了新的視角。
圖|MTyr–OANP誘導(dǎo)的酪氨酸酶激活和糖酵解抑制
MTyr–OANPs對(duì)荷黑色素瘤小鼠的抗腫瘤作用
MTyr–OANPs在體內(nèi)抗腫瘤活性的評(píng)估顯示，通過125I標(biāo)記的MTyr–OANPs在小鼠體內(nèi)的代謝行為和分布，觀察到其在肝臟中的高濃度聚集和通過膀胱的排泄。MTyr–OANPs通過靜脈注射后在腫瘤部位積累，與沒有甘露糖基團(tuán)的Tyr–OANPs相比，顯示出更高的腫瘤積累率。在確定的劑量下，MTyr–OANPs顯著抑制了黑色素瘤小鼠的腫瘤生長(zhǎng)并提高了存活率，免疫組化結(jié)果顯示Ki67表達(dá)降低，酪氨酸酶活性和總黑色素含量增加。此外，腫瘤組織切片的Fontana-Masson染色顯示黑色素增加，與糖酵解相關(guān)的基因表達(dá)降低，表明MTyr–OANPs在體內(nèi)抑制了葡萄糖代謝。
圖|MTyr–OANPs在荷黑色素瘤小鼠體內(nèi)的抗腫瘤活性
MTyr–OANP誘導(dǎo)的表型變化用于PTT
MTyr–OANPs處理的B16F10細(xì)胞因含有高濃度的黑色素，對(duì)近紅外(NIR)激光非常敏感，實(shí)現(xiàn)了有效的光熱治療(PTT)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，MTyr–OANPs處理的細(xì)胞在808 nm激光照射下，溫度迅速升至44°C，而未處理的細(xì)胞溫度僅上升約1.5°C。此外，MTyr–OANPs處理的細(xì)胞在熱休克蛋白HSP70和HSP90的表達(dá)上顯著降低，表明這些細(xì)胞對(duì)熱應(yīng)激更加敏感。在小鼠模型中，MTyr–OANPs和激光聯(lián)合治療顯著抑制了腫瘤生長(zhǎng)，并且在49天的觀察期內(nèi)未觀察到腫瘤復(fù)發(fā)。組織學(xué)分析顯示，聯(lián)合治療組的腫瘤組織中壞死和凋亡細(xì)胞數(shù)量最多。通過調(diào)整激光功率密度，驗(yàn)證了光熱效應(yīng)本身在增加黑色素產(chǎn)生后對(duì)抑制黑色素瘤生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)，單獨(dú)的光熱效應(yīng)抑制了約55.2%的腫瘤生長(zhǎng)。這些發(fā)現(xiàn)表明，MTyr–OANPs通過增強(qiáng)PTT效果，為黑色素瘤治療提供了一種新策略。
圖|色素化細(xì)胞表型增強(qiáng)了對(duì)808 nm激光輻照的細(xì)胞死亡反應(yīng)
小結(jié)：
該研究展示了一種基于營(yíng)養(yǎng)的代謝重激活策略，通過MTyr–OANPs補(bǔ)充L-酪氨酸激活黑色素瘤細(xì)胞中的黑色素生成途徑，同時(shí)增加的黑色素生成中間產(chǎn)物抑制糖酵解，減緩腫瘤生長(zhǎng)。這一策略不僅適用于不同類型的黑色素瘤，還可能擴(kuò)展至其他腫瘤類型。此外，營(yíng)養(yǎng)素的補(bǔ)充可以提高腫瘤治療的靶向效率，并通過級(jí)聯(lián)療法增強(qiáng)治療效果。該發(fā)現(xiàn)為腫瘤治療提供了新的視角，即通過重激活而非抑制代謝途徑來對(duì)抗腫瘤生長(zhǎng)，這可能激發(fā)在代謝紊亂相關(guān)疾病治療中的廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
Chen, Y., Wang, C., Wu, Y. et al. Nutrient-delivery and metabolism reactivation therapy for melanoma. Nat. Nanotechnol. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01690-6
