越來越多的證據證實了代謝紊亂對一系列棘手疾病的影響，包括但不限于癌癥、糖尿病和心血管疾病。在Warburg對癌癥代謝變化的開創性揭示的基礎上，在復雜的腫瘤微環境（TME）中參與代謝環境的策略——一個充滿了包括腫瘤和免疫細胞在內的代謝活性成分的坩堝——已經成為精細和選擇性癌癥治療的一個引人注目的途徑。與靶向離散細胞亞群的傳統方法相比，在代謝需求過程（如癌癥）的背景下，代謝靶向（例如碳水化合物、嘌呤、天冬氨酸、谷氨酰胺或脂質代謝）的模式在馴服這些多方面疾病的復雜發病機制方面表現出了增強的功效。基于小分子和寡核苷酸的代謝調節劑的探索和臨床整合，精確定位特定的代謝途徑，標志著癌癥治療取得了關鍵性進展。盡管如此，現有的代謝調節劑通常缺乏腫瘤細胞特異性，其治療效率經常受到不可預見的脫靶效應和簡潔持續時間的阻礙。作為生物系統中的先天調節劑，酶在TME復雜區域內協調代謝變化中起著關鍵作用。通過以最小的輔助反應快速連續地將底物轉化為令人垂涎的產物，這些生物催化劑表現出示范性的靶特異性和親和力，這對于TME內的代謝重新校準至關重要。類酶納米催化劑的出現，也稱為納米酶，在規避困擾天然酶的內在限制方面具有變革性的潛力，包括費用、穩定性和復雜的保存等問題。在過去的幾十年里，納米酶結構域以驚人的速度蓬勃發展，包括精心設計的廣泛材料庫，以模擬各種天然酶，包括氧化還原酶（例如過氧化物酶、氧化酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶）、水解酶（例如磷酸酶）、裂合酶（例如碳酸酐酶）等。然而，追求制造具有多金屬代謝酶樣特征的合成納米酶是一項艱巨的挑戰。在原子尺度上，調和高異質金屬原子負載和原子嵌入金屬氧化物基底中的活性催化位點的復雜性是一個有待解決的難題。基于原型代謝催化劑黃嘌呤氧化還原酶（XOR），它涉及黃嘌呤轉化為尿酸（UA），其特征是基于鐵（Fe）和四面體鉬（Mo）的雙催化輔因子。XOR與各種癌癥預后較差的關聯，特別是XOR表達低的癌癥，突顯了其對炎癥反應的影響。此外，某些黃嘌呤衍生物的免疫抑制特性和UA在增強抗腫瘤免疫方面的顯著作用強調了XOR在該研究過程中的關鍵相關性。利用這一見解，上海交通大學凌代舜、李方園等研究人員報告了第一種 “人工代謝酶”，他們設計了一種獨特的腐蝕-吸附-固定化程序，通過將鐵原子以1:1的化學計量明智地摻入MoO3-x催化劑中，與原子重排一起協調到四面體催化框架中，合成FeMoO4納米催化劑——一種人工代謝酶。隨后的代謝酶作為一種結構出現，同時具有Fe2+和四面體Mo4+活性中心，無縫模擬XOR樣催化領域。當到達具有低XOR水平和升高的黃嘌呤底物的腫瘤細胞時，FeMoO4代謝酶熟練地驅動黃嘌呤快速轉化為過量UA，然后無縫地觸發巨噬細胞分泌促炎細胞因子（例如白細胞介素-1β（IL-1β）），從而驅動免疫刺激M1巨噬細胞的極化，并激活其他免疫細胞（例如樹突狀細胞（DC）和T細胞）。有趣的是，這種代謝調節促進了細胞間代謝與免疫細胞的相互作用，以決定功能和命運，從而引發對腫瘤細胞的協同攻擊——這是一種驅動腫瘤細胞特異性代謝治療的協調。該人工代謝酶展示了在代謝畫布上靶向改造腫瘤細胞的潛力，將自己定位為一個燃燒的“火花”來協調免疫系統的激活。
圖 | 代謝酶樣FeMoO4代謝酶用于腫瘤細胞特異性代謝治療的示意圖通過制備MoO3納米顆粒并進行水熱處理，成功合成了含有Fe單原子固定的FeMoO4代謝酶。DFT計算揭示了摻雜過程中的原子和晶體結構變化，形成了具有Fe和四面體Mo4+雙活性中心的FeMoO4。電子順磁共振和X射線衍射證實了Fe原子的成功摻雜和結構轉變。FeMoO4-4納米顆粒在黃嘌呤轉化為尿酸的實驗中表現優異，顯示出類似XOR的活性。TEM、EDS和HAADF-STEM表征顯示Fe原子在FeMoO4中的均勻分散。XPS和EIS分析確認了Fe和Mo之間的電子轉移，增強了催化效率。FTIR和DLS測量證實了表面修飾的成功。這些結果表明FeMoO4代謝酶具有精確的原子級調控和高度活性的氧化還原特性，為癌癥治療提供了新的策略。研究人員通過DFT計算研究了FeMoO4代謝酶催化尿酸生成的機制。FeMoO4代謝酶通過形成OH–Mo–O–Fe復合物，降低了黃嘌呤轉化為尿酸的能量障礙，特別是高Fe摻雜濃度的FeMoO4代謝酶展現出接近天然XOR的能量障礙。這種結構調整增強了底物吸附和電子活性，提高了催化效率，與天然XOR相當。通過DOS分析，研究人員發現FeMoO4代謝酶中的Fe、Mo、O原子在費米能級附近的態密度顯著增加，這有助于提高電子轉移效率，使FeMoO4代謝酶能夠有效地模擬XOR酶的催化作用。這些特性使得FeMoO4代謝酶在尿酸生成方面表現出色，為人工代謝酶的設計提供了新的思路。圖 | FeMoO4代謝酶XOR樣催化機制的DFT研究研究人員研究了FeMoO4代謝酶在細胞層面的作用，發現它能被細胞攝取，并且對多種細胞系具有生物相容性。FeMoO4代謝酶不會產生細胞毒性活性氧。研究人員還發現，FeMoO4代謝酶能顯著增加B16腫瘤細胞分泌尿酸，并通過尿酸誘導巨噬細胞分泌IL-1β，這可能促進腫瘤細胞與免疫細胞之間的代謝交流。FeMoO4代謝酶處理的腫瘤細胞還能顯著上調RAW264.7巨噬細胞中NLRP3炎癥體和Caspase1的表達，提高M1/M2巨噬細胞比例，并促進B16-GFP細胞的吞噬。這些結果表明FeMoO4代謝酶通過調節代謝，激活了巨噬細胞，增強了抗腫瘤免疫反應，對T細胞的直接影響很小。FeMoO4代謝酶在體內實驗中顯示出MRI對比效果，并在注射后在腫瘤區域有效積累。腫瘤內尿酸水平經FeMoO4代謝酶處理后顯著提升，而周圍組織和血清中的尿酸水平變化不大。通過LC-MS技術，研究人員發現FeMoO4代謝酶改變了腫瘤組織中的尿酸和其他代謝物水平。AFADESI-MSI成像和Lillie染色顯示尿酸代謝物的空間分布與FeMoO4代謝酶的分布緊密相關。FeMoO4代謝酶降低了與腫瘤生長相關的AMP和IMP水平。區域特異性分析表明，FeMoO4代謝酶在腫瘤組織中的分布與尿酸代謝重編程直接相關。這些結果表明FeMoO4代謝酶通過調節腫瘤細胞代謝，為癌癥治療提供了新策略。FeMoO4代謝酶在B16黑色素瘤小鼠模型中顯著抑制了腫瘤生長，效果超過了MoO3納米顆粒。治療后腫瘤內的促炎細胞因子IL-1β和其他免疫因子顯著上調，增強了抗腫瘤免疫反應。通過質譜細胞測量技術，研究人員發現FeMoO4代謝酶增加了M1型巨噬細胞比例，并提升了CD8+ T細胞、CD4+ T細胞和自然殺傷細胞的數量，同時減少了骨髓源抑制細胞。FeMoO4代謝酶還增強了樹突細胞的活化，促進了適應性免疫反應，特別是在OVA特異性CD8+ T細胞的數量上有顯著增加。腫瘤組織的切片染色顯示FeMoO4代謝酶處理后腫瘤細胞破壞增加，免疫信號增強，PD-L1和PD-1表達上調。FeMoO4代謝酶治療的小鼠在主要器官、體重、血液和生化分析上均顯示出良好的生物相容性。此外，FeMoO4代謝酶與抗PD-1療法的聯合使用在B16黑色素瘤中表現出顯著的協同效應，顯著抑制了腫瘤生長，延長了小鼠生存期，表明其可能增強免疫檢查點阻斷的療效。
圖 | FeMoO4代謝酶用于腫瘤細胞特異性代謝治療的方案
小結
該研究開發了一種人工代謝酶FeMoO4，它模擬了代謝酶XOR的催化特性，而不是簡單地模仿具有活性氧種清除或生成能力的酶。通過獨特的腐蝕-吸附-固定過程，研究人員將Fe原子整合到MoO3–x催化劑中，實現了原子重排，以反映XOR的催化本質。重要的是，這種代謝酶具有獨特的功能，能夠在腫瘤細胞內促進黃嘌呤代謝生成過量的尿酸（UA），作為免疫檢查點激動劑，通過觸發促炎細胞因子的產生來激活免疫系統。該創新通過精心設計的原子級結構，為開發高性能代謝酶開辟了有希望的途徑，通過代謝重編程腫瘤細胞，使其能夠自主調節并與免疫細胞直接交互，實現腫瘤細胞特異性的代謝治療。代謝重編程是調節免疫細胞激活、分化和功能的關鍵機制，該工作為下一代基于細胞特異性代謝調節的療法提供了指導，這種療法可以無縫地針對疾病病灶，并以前所未有的精確度和效率解決病理免疫反應。研究人員設想，利用單原子工程模仿多種代謝酶的成功方法，將能夠應對酶缺乏癥等關鍵挑戰，例如transaldolase缺乏和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶缺乏，這些是導致肝病和全球范圍內溶血性貧血的主要原因。基于這項工作的基礎發現，該“代謝酶”概念可能會催生“代謝酶替代療法”的新領域，為精細管理先天性和獲得性代謝紊亂提供途徑，有可能逆轉長期以來對醫學科學構成巨大挑戰的難治性疾病。Hu, X., Zhang, B., Zhang, M. et al. An artificial metabzyme for tumour-cell-specific metabolic therapy. Nat. Nanotechnol. (2024).https://doi.org/10.1038/s41565-024-01733-y
