邢念增/肖海华团队首次开发铜死亡纳米药物，增强癌症免疫治疗效果

来源：生物世界 2023-06-06 13:30

该研究开发了一种活性氧敏感性聚合物PHPM，用于将ES和铜封装为纳米颗粒——NP@ESCu，NP@ESCu在进入癌细胞后，能够被癌细胞内过量的活性氧触发并释放出ES和铜，二者协同作用，诱导癌细胞铜死亡

2012年5月，哥伦比亚大学BrentStockwell教授在Cell期刊发表论文【1】，发现并提出了一种铁依赖性的新型细胞程序性死亡方式 铁死亡（Ferroptosis）。

和铁一样，铜也是从细菌和真菌到植物、动物以及人类生命活动的基本元素，作为必须酶的辅助因子，在生命活动中发挥着必不可少的作用。铜在人体中是一种微量元素，细胞内铜离子的浓度通过主动稳态机制保持在非常低的水平，一旦超过阈值，铜就会变得有毒，导致细胞死亡。

2022年3月，哈佛-MIT博德研究所Todd Golub教授在Science期刊发表论文【2】。发现并证实铜依赖性受控细胞死亡方式是一种不同于已知细胞死亡机制的新型细胞死亡方式 铜死亡（Cuprotosis）。

近日，中国医学科学院北京协和医学院邢念增教授和中科院化学研究所肖海华研究员等人在AdvancedMaterials期刊发表了题为：Cuproptosis Induced by ROS Responsive Nanoparticles with Elesclomol and Copper Combined with PD-L1 for Enhanced Cancer Immunotherapy的研究论文。

该研究开发了一种诱导铜死亡的纳米颗粒药物 NP@ESCu，其能够诱导癌细胞铜死亡并重编程抑制性肿瘤微环境，将其与免疫检查点抑制剂（ PD-L1）联合使用，能够增强癌症治疗效果，显著抑制肿瘤生长，具有具有广阔的临床应用前景。

膀胱癌是全世界范围内第二大常见的泌尿系统恶性肿瘤，严重威胁着患者的生存和。经过局部治疗后，仍有大约三分之一的患者会复发并转移。近年来，免疫疗法取得了很大的进展，于2016年批准抗PD-L1抗体（ PD-L1）用于膀胱癌治疗，然而，许多膀胱癌患者对这些治疗没有反应。一方面，许多肿瘤是具有免疫抑制性肿瘤微环境的免疫 冷肿瘤 ，对现有的免疫疗法没有反应。另一方面， PD-L1仅对PD-L1表达阳性的膀胱癌患者有效，而PD-L1的表达在个体之间存在差异。

近期研究表明，肿瘤内铜（Cu）水平可影响PD-L1的表达，但通过调节铜水平增强 PD-L1在体内效果的研究尚未见报道。铜是细胞内的一种非常重要的微量元素，在维持细胞氧化还原稳态中发挥关键作用。一方面，铜是具有重要细胞功能的酶的辅助因子，包括线粒体呼吸和生物合成。另一方面，铜的失调可能导致对细胞的毒性。肿瘤细胞的增殖和转移比正常组织更依赖于铜，与健康个体相比，膀胱癌患者的血清铜水平明显更高。这些都提示我们，调节肿瘤细胞中的铜水平似乎是一种有前途的癌症治疗方法。

铜死亡（Cuprotosis）是一种依赖铜的新型细胞死亡方式，与细胞凋亡（Apoptosis）、程序性坏死（Necroptosis）、细胞焦亡（Pyroptosis）、铁死亡（Ferroptosis）不同，也不能这些细胞死亡的抑制剂所抑制。

铜死亡在很大程度上依赖于铜离子载体，例如伊利司莫（Elesclomol，ES），它能够选择性地将细胞外的铜转运到细胞的线粒体中。

近十年来，ES被认为是通过铜基芬顿反应在细胞中产生活性氧（ROS）导致细胞凋亡，从而发挥抗癌作用。因此，ES作为一种候选抗癌药物并进入临床试验，然而，临床结果显示，其具有很好的安全性，但治疗效果较差。一方面，ES在循环中容易被清除和代谢，因此进入肿瘤细胞的ES极为有限，且在肿瘤组织中将更多的铜转运到癌细胞中是相当困难的。另一方面，仅仅通过细胞凋亡来杀死肿瘤细胞可能不足以让ES完全控制肿瘤生长。

增加肿瘤组织中存在的ES的数量，可以更有效、方便、快速地将更多的铜转运到肿瘤细胞中，并最终通过铜死亡产生强大的抗肿瘤作用。同时，通过ES将铜转运到肿瘤细胞中也可以增加其PD-L1的表达。因此，联合使用铜离子载体（例如ES）和免疫疗法（例如 PD-L1）可能带来更好的癌症治疗效果。

在这项研究中，研究团队设计了一种活性氧（ROS）敏感性两亲性可生物降解聚合物（PHPM），然后用PHPM将ES和Cu封装形成纳米颗粒形式 NP@ESCu。

NP@ESCu能够选择性地积聚在膀胱癌小鼠的肿瘤部位，然后被癌细胞有效吸收。随后，肿瘤细胞中过量的活性氧（ROS）触发PHPM的硫酮键迅速断裂，从而导致PHPM降解，纳米颗粒解离，释放出被封装的ES和铜。

一方面，Cu2+经过细胞摄取和定向运输到线粒体后，从ES-Cu复合物中解离，然后与FDX1结合，FDX1是一种参与Fe-S簇形成的线粒体还原酶，可以将Cu2+还原为Cu+。与此同时，ES迅速外排，将细胞外Cu2+转运到癌细胞中，导致癌细胞线粒体中铜的持续积累，最终引起癌细胞铜死亡。

值得注意的是，铜的持续积累可导致癌细胞表面PD-L1的表达上调，这为增强 PD-L1的抗癌作用铺平了道路。

另一方面，NP@ESCu不仅可以诱导树突状细胞（DC）成熟，促进肿瘤组织中CD8+T细胞浸润，还可以刺激肿瘤相关巨噬细胞（TAM）从免疫抑制性M2表型向免疫刺激性M1表型转化，并抑制髓源性抑制细胞（MDSC）的聚集。NP@ESCu通过重新编程免疫抑制性肿瘤微环境，最终在膀胱癌小鼠模型中诱导有效的体内抗应答。

最后，研究团队在膀胱癌小鼠模型中进一步验证了NP@ESCu与 PD-L1联合治疗可以增强抗肿瘤效果，显著抑制肿瘤生长。

综上所述，该研究开发了一种活性氧敏感性聚合物PHPM，用于将ES和铜封装为纳米颗粒 NP@ESCu，NP@ESCu在进入癌细胞后，能够被癌细胞内过量的活性氧触发并释放出ES和铜，二者协同作用，诱导癌细胞铜死亡，同时还会重编程免疫抑制性肿瘤微环境。更重要的是，NP@ESCu可与 PD-L1联合使用增强对 冷肿瘤 的免疫治疗效果。

该研究是首次将诱导铜死亡的纳米药物与 PD-L1联合用于增强癌症治疗，提供了一种新的癌症治疗策略，具有广阔的临床应用前景。

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