An artificial metabzyme for tumour-cell-specific metabolic therapy

Xi Hu, Bo Zhang, Miao Zhang, Wenshi Liang, Bangzhen Hong, Zhiyuan Ma, Jianpeng Sheng, Tianqi Liu, Shengfei Yang, Zeyu Liang, Jichao Zhang, Chunhai Fan, Fangyuan Li & Daishun Ling

發(fā)表期刊：Nature Nanotechnology

影響因子：38.1

DOI: 10.1038/s41565-024-01733-y

研究背景

新陳代謝紊亂與癌癥、糖尿病和心血管疾病等一系列難以治愈的疾病有關(guān)。在腫瘤微環(huán)境（TME）中的代謝情況，是選擇癌癥療法的重要途徑?，F有的代謝療法一般都缺乏腫瘤細胞特異性，其治療效率往往受到不可預見(jiàn)的脫靶效應和持續時(shí)間短的限制。

酶在協(xié)調TME內的新陳代謝轉變方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，能將底物快速連續轉化為產(chǎn)物，表現出良好的靶標特異性。類(lèi)似酶的納米催化劑可模擬多種天然酶，包括氧化還原酶、水解酶、裂解酶等。目前，制造具有類(lèi)似多金屬代謝酶特性的合成納米酶是一項艱巨的挑戰。作者的靈感來(lái)自于黃嘌呤氧化還原酶（XOR），它將黃嘌呤轉化為尿酸（UA），其特點(diǎn)是具有鐵和四面體鉬的結構。XOR與各種癌癥的不良預后有關(guān)，對炎癥反應有重要影響。某些黃嘌呤衍生物的免疫抑制特性和尿酸在增強抗腫瘤免疫力方面的顯著(zhù)作用都顯示出XOR的關(guān)鍵意義。

技術(shù)方法

代謝組學(xué)、轉錄組學(xué)、微生物組學(xué)、空氣動(dòng)力輔助解吸電噴霧質(zhì)譜成像（AFADESI-MSI）、流式細胞術(shù)和質(zhì)譜流式分析、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（LC-MS/MS）、氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）

研究亮點(diǎn)

作者聚焦天然代謝酶和腫瘤-免疫細胞互作調控，合成鐵和四面體鉬原子構象的FeMoO₄人工代謝酶，為代謝異常相關(guān)疾?。ò[瘤、心血管疾病、痛風(fēng)、糖尿病等）提供基于人工代謝酶的全新代謝免疫調控策略，開(kāi)創(chuàng )化學(xué)生物學(xué)驅動(dòng)的精準代謝治療新范式。

研究思路

作者設計了一種獨特的溶蝕-吸附-固定的程序，合成出FeMoO₄納米催化劑，一種新型人工代謝酶，具有Fe²⁺和四面體Mo⁴⁺活性中心的結構，精確模擬了類(lèi)似XOR的催化領(lǐng)域（圖1a）。這種人工代謝酶在到達含有低水平XOR和黃嘌呤底物的腫瘤細胞時(shí)，會(huì )巧妙地將黃嘌呤快速轉化為過(guò)量的尿酸，觸發(fā)巨噬細胞釋放促炎細胞因子、白細胞介素，從而促使M1巨噬細胞極化，并激活其他免疫細胞。這種代謝調控促進(jìn)了細胞間代謝的通訊，協(xié)同免疫細胞對腫瘤細胞發(fā)起攻擊，推動(dòng)了腫瘤細胞特異性代謝療法（圖1b）。該人工代謝酶展示了在生命代謝畫(huà)布上靶向改造腫瘤細胞的潛力，將腫瘤細胞自己定位為一個(gè)燃燒的“火花”來(lái)刺激免疫系統的定點(diǎn)激活。

圖1：用于腫瘤細胞特異性代謝治療的FeMoO₄人工代謝酶示意圖

研究結果

1.代謝酶的合成與機理研究

作者設計了一種獨特的溶蝕-吸附-固定的程序，Mo空位成為鐵原子協(xié)調吸附和固定的錨點(diǎn)，最終導致原子和晶體結構的動(dòng)態(tài)變化，促進(jìn)了四面體Mo⁴⁺活性中心的出現，合成出FeMoO₄納米催化劑，一種新型人工代謝酶。其具有Fe²⁺和四面體Mo⁴⁺活性中心的結構，精確模擬類(lèi)似XOR的催化域（圖2）。

 圖2：設計具有四面體催化框架的多金屬酶

通過(guò)透射電鏡、元素分析、球差電鏡和同步輻射等技術(shù)方法，證實(shí)了Fe以單原子形式均勻分布在FeMoO₄人工代謝酶結構中。研究還發(fā)現，FeMoO₄人工代謝酶中Fe和Mo元素價(jià)態(tài)分別為Fe²⁺/Fe3+和Mo⁴⁺/Mo⁵⁺/Mo⁶⁺；此外，Fe的摻雜顯著(zhù)提高了Fe-O-Mo的電子轉移效率，為在生命體系高效催化腫瘤細胞代謝產(chǎn)物黃嘌呤奠定了理化結構基礎（圖3）。

圖3：FeMoO4代謝酶的理化特征

2. 代謝酶模擬催化活性的機理

為理解FeMoO₄代謝酶促進(jìn)UA形成的反應機制，作者通過(guò)密度泛函理論（DFT）計算發(fā)現FeMoO₄通過(guò)與羥基（OH）反應形成OH-MoO-Fe復合物，促進(jìn)黃嘌呤的氫化物轉移，從而提高了UA的生成效率（圖4a）。Fe原子摻雜引起的MoO₃晶格重排，顯著(zhù)提高了FeMoO₄人工代謝酶對黃嘌呤底物的吸附能力和表面電子活性，這在黃嘌呤轉化為尿酸的催化過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用，凸顯了鐵驅動(dòng)催化的重要性。通過(guò)與天然XOR酶進(jìn)行平行比較，四面體Mo⁴⁺成分促進(jìn)了黃嘌呤的氧化。FeMoO₄代謝酶的高電子傳遞效率以及催化結構與以Mo和Fe為中心的XOR酶的一致性，賦予了它模仿XOR催化的強大能力。這種能力生動(dòng)地體現在UA的穩定生成上（圖4h）。

 圖4：FeMoO₄代謝酶類(lèi)XOR催化機理的DFT研究

3.代謝酶對腫瘤細胞代謝的調節作用

作者進(jìn)一步研究了FeMoO₄代謝酶和UA代謝產(chǎn)物在體外腫瘤細胞-巨噬細胞串聯(lián)中的作用。定量分析顯示，FeMoO₄代謝酶處理后腫瘤細胞分泌的UA明顯增加（圖5a）。FeMoO₄代謝酶促進(jìn)與巨噬細胞之間的細胞間代謝串聯(lián)，從而產(chǎn)生有效的抗腫瘤反應，揭示了FeMoO₄代謝酶介導的腫瘤細胞內黃嘌呤代謝在抗腫瘤免疫反應激活中的深遠作用。采用非靶向液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS）方法，測量了腫瘤組織中UA和相關(guān)代謝物的定量特征，用于研究FeMoO₄代謝酶治療后腫瘤細胞特異性代謝重塑的情況。FeMoO₄-甲胎蛋白酶處理組與對照組的UA水平存在明顯差異（圖5h,i）。 

通過(guò)空氣動(dòng)力輔助解吸電噴霧質(zhì)譜成像（AFADESI-MSI）分析和Lillie染色，直接觀(guān)察代謝組和FeMoO4代謝酶的空間分布（圖5j）。腫瘤組織的代表性代謝物成像圖顯示UA上調，高濃度UA代謝物的空間位置與FeMoO₄代謝酶的位置重合（圖5k-m）。空間代謝組學(xué)有力的證實(shí)了FeMoO₄代謝酶分布與癌癥代謝重編程之間的直接關(guān)系。作者提取了特定區域的原位AFADESI-MSI圖譜，以分析FeMoO₄作用的腫瘤組織中Fe²⁺富集區和缺乏區的代謝物強度（圖 5n）。特別是，在FeMoO₄代謝酶保留明顯的腫瘤組織中，UA代謝物的強度明顯超過(guò)周?chē)^，也超過(guò)了對照組腫瘤組織的水平，這表明代謝酶定位與UA代謝重編程之間存在密切的相關(guān)性。

 圖5：FeMoO₄代謝酶介導的代謝重編程

4.基于代謝調節的抗腫瘤免疫反應

FeMoO₄人工代謝酶能夠有效抑制B16F10腫瘤的生長(cháng)。作者通過(guò)流式細胞術(shù)和質(zhì)譜流式分析等技術(shù)，發(fā)現FeMoO₄人工代謝酶顯著(zhù)提高了腫瘤組織中M1型巨噬細胞、CD8+ T細胞、CD4+ T細胞和成熟樹(shù)突狀細胞（DCs）的比例，同時(shí)上調了IL-1、TNF和IL-12等促炎細胞因子的水平。作者根據上述結果得出結論：尿酸分子作為“定位和激活信號”介導腫瘤細胞與免疫細胞的之間的相互作用：

1）尿酸誘導鄰近的巨噬細胞向M1表型極化，并激活NLRP3/IL-1通路，從而使巨噬細胞能夠識別并吞噬“被定位”的腫瘤細胞；

2）尿酸和促炎細胞因子IL-1能夠增強DCs和T細胞等免疫細胞活性，從而特異性激發(fā)抗腫瘤免疫應答。此外，FeMoO₄人工代謝酶與PD-1單抗聯(lián)用能夠更有效地抑制腫瘤生長(cháng)，并延長(cháng)小鼠的生存期（圖6）。

FeMoO₄代謝酶具有超越免疫抑制腫瘤為緩解和增強B16黑色素瘤PD-L1表達的潛力，可為提高檢查點(diǎn)阻斷療法的反應率提供有力的替代方案。

 圖6：FeMoO₄代謝酶用于腫瘤細胞特異性代謝治療

結論

作者報告了一種能無(wú)縫模擬類(lèi)似XOR催化域的人工代謝酶，開(kāi)創(chuàng )性的設計了一種獨特的“溶蝕-吸附-固定”技術(shù)，將鐵原子結合到氧化鉬催化劑中，同時(shí)進(jìn)行原子重排，以反映XOR的催化特征。該人工代謝酶在腫瘤細胞內協(xié)調黃嘌呤代謝，產(chǎn)生過(guò)量的UA，通過(guò)觸發(fā)促炎細胞因子的產(chǎn)生來(lái)激活免疫系統。作者的“人工代謝酶”概念可能會(huì )催生一個(gè)新興的“代謝酶替代療法”領(lǐng)域，為完善先天性和后天性代謝紊亂的治療提供一條途徑。

采用非靶向代謝組和AFADESI-MSI空間代謝組技術(shù)測量了腫瘤組織中UA和相關(guān)代謝物的定量特征，用于研究FeMoO4代謝酶治療后腫瘤細胞特異性代謝重塑的情況。高濃度UA代謝物的空間位置與FeMoO4代謝酶的位置重合，空間代謝組技術(shù)有力的證實(shí)了FeMoO4代謝酶分布與癌癥代謝重編程之間的直接關(guān)系?？臻g代謝組相關(guān)多組學(xué)技術(shù)的應用場(chǎng)景廣闊，可用于疾病機制研究，標志物篩選，調控機制分子機制研究，是科研的好幫手。

原文鏈接

PMID: 39103450 DOI: 10.1038/s41565-024-01733-y