葡萄糖代謝途徑的改變是腫瘤代謝重編程的典型特征之一，其與腫瘤乏氧、微酸等微環境特征密切相關。腫瘤乏氧會進一步促進腫瘤細胞通過糖酵解途徑獲取能量，而乳酸等代謝產物的累積又會導致腫瘤微酸環境的形成，進而協同導致腫瘤免疫抑制性微環境的形成。這不但會促進腫瘤的發生、進展和轉移，還會導致腫瘤對放療、化療、免疫治療等多種治療手段產生嚴重的耐受性。
近日，蘇州大學劉莊教授和馮良珠研究員團隊針對這一問題成功設計構建了一個兼具腫瘤乏氧與微酸調控功能的氟化碳酸鈣基復合納米藥物，探索了其在調控腫瘤內葡萄糖代謝途徑、逆轉免疫抑制性微環境和增敏放療療效方面的潛力。作者首先通過配位反應將多巴胺修飾的全氟癸二酸分子（PFSEA-DA2）與金屬鐵離子（Fe3+）包覆在碳酸鈣納米顆粒表面，制備得到了一種多功能氟化碳酸鈣納米復合物（fCaCO3）。聚乙二醇表面修飾后，所得到的fCaCO3-PEG可高效負載全氟-15-冠醚(PFCE)，進而作為一種有效的氧氣遞送載體與質子中和劑。研究表明，經靜脈注射后，PFCE@fCaCO3-PEG不僅可以作為一種長循環的納米氧氣儲存器，以減輕腫瘤缺氧，還可以通過抑制乳酸的產生并消耗細胞外質子，從而有效中和酸性腫瘤微環境。在不同免疫原性的腫瘤模型中，PFCE@fCaCO3-PEG均表現出顯著的放射增敏效果。此外，PFCE@fCaCO3-PEG輔助放射療法還可以通過改善腫瘤免疫抑制微環境，激活系統性抗腫瘤免疫反應，從而實現對遠端腫瘤的有效抑制并有效防止腫瘤的復發（示意圖）。
示意圖 PFCE@fCaCO3-PEG 納米調節器增強腫瘤放療的機制圖
實驗結果方面，作者首先在全氟癸二酸（PFSEA）的兩端共價偶聯多巴胺分子來合成末端為鄰苯二酚結構的PFSEA-DA2，之后以無定型碳酸鈣納米顆粒為模板，利用PFSEA-DA2與Fe3+之間的配位作用，通過表面保護性刻蝕法制備氟化碳酸鈣納米顆粒（fCaCO3），經表面PEG化修飾后物理吸附PFCE后得到了兼具高效的氧氣負載能力以及質子中和能力PFCE@fCaCO3-PEG（圖1）。
圖1. PFCE@fCaCO3-PEG的合成與表征
細胞實驗結果表明，負載氧氣的PFCE@fCaCO3-PEG可以有效重塑低氧條件下CT26細胞的葡萄糖代謝，降低細胞低氧代謝中缺氧誘導因子1α（HIF-1α）、乳酸脫氫酶 A（LDHA）和碳酸酐酶IX（CAIX）的表達水平，進而降低胞內乳酸的產生，并最終顯著逆轉微酸和缺氧誘導的放射耐受性（圖2）。
圖2. PFCE@fCaCO3-PEG納米反應器的放射增敏效果
通過建立小鼠腫瘤模型，作者發現PFCE@fCaCO3-PEG具有良好的藥代動力學特征，可實現高效的腫瘤富集。與此同時，PFCE@fCaCO3-PEG可用于腫瘤的多模態成像（磁共振成像、光聲成像）。隨后，作者驗證了PFCE@fCaCO3-PEG納米調節器能夠有效改善腫瘤乏氧，降低瘤內乳酸的產生，并中和酸性腫瘤微環境（圖3）。
圖3. PFCE@fCaCO3-PEG藥代動力學與腫瘤微環境調控能力研究
進一步地，作者利用小鼠的皮下乳腺癌模型和結腸癌模型發現經靜脈注射的PFCE@fCaCO3-PEG能夠有效地增強放療的療效，并且對機體不會造成任何明顯的不良反應（圖4）。
圖4. PFCE@fCaCO3-PEG增敏放療研究
通過對PFCE@fCaCO3-PEG增敏放療的機制研究，作者發現PFCE@fCaCO3-PEG協同放射治療，可以有效地逆轉免疫抑制性腫瘤微環境，同時激活機體的固有性和獲得性抗腫瘤免疫反應（圖5）。
圖5. PFCE@fCaCO3-PEG增敏放療的免疫機制研究
最后，作者進一步驗證了PFCE@fCaCO3-PEG協同放射治療不僅可以通過遠隔效應（abscopal effect）抑制遠端未治療腫瘤的生長，還可以通過引發長期的免疫記憶來抑制腫瘤的復發（圖6）。
圖6. PFCE@fCaCO3-PEG聯合放療的長期免疫記憶效應研究
該工作以“Chemical Modulation of Glucose Metabolism with a Fluorinated CaCO3 Nanoregulator Can Potentiate Radiotherapy by Programming Antitumor Immunity”為題發表在ACS Nano上（DOI: 10.1021/acsnano.2c02688）。文章的通訊作者為蘇州大學劉莊教授和馮良珠研究員，第一作者為上海交通大學醫學院分子醫學研究院董自亮博士和蘇州大學博士研究生王春杰。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c02688?fig=tgr1&ref=pdf
