液态金属纳米粒介导线粒体损伤增强免疫原性细胞死亡用于癌症疫苗治疗

基本信息

英文标题：Liquid Metal Nanoparticles-Mediated Mitochondrial Damage Enhances Immunogenic Cell Death for Cancer Vaccine Therapy

中文标题：液态金属纳米粒介导线粒体损伤增强免疫原性细胞死亡用于癌症疫苗治疗

发表期刊：《Advanced Materials》

影响因子：26.8

作者单位：

北京中医药大学东方医院肿瘤科;南洋理工大学;中国科学院理化技术研究所;中国科学院大学未来技术学院;湖南中医药大学第一附属医院老年病科;国家纳米科学中心;贵州大学药学院等

作者信息：

Yuxia Qi, Zhongyang Yu, Jie Zhang, Chi Zhang, Xiaoshuai Wang, Fan Yang, Yunlong Bai, Jun-Xiao Yuan, Minghui Guo, Dawei Wang, Kaiwen Hu, Tian Zhou, Lei Wang, Wei Rao

研究背景

1.癌症疫苗的应用面临肿瘤微环境免疫抑制和肿瘤抗原免疫原性低的限制。

2.线粒体功能障碍引发的免疫原性细胞死亡是增强肿瘤抗原释放和免疫激活的有效策略，但如何主动放大线粒体损伤诱导的ICD仍具挑战。

3.液态金属(如镓铟合金)具有变形性和刺激响应性离子释放的独特优势，Ga³⁺可作为铁模拟物干扰Fe-S簇组装和线粒体电子传递。

4.研究创新点： 本研究开发了一种靶向性自组装肽修饰的液态金属纳米粒，通过"靶向-自组装-融合-释放"的SMART级联过程，实现肿瘤特异性富集和细胞内长效滞留，通过干扰铁代谢诱导线粒体损伤，并与不可逆电穿孔协同增强DAMP释放，激活长效抗肿瘤免疫。

研究方法

1.LMPs设计与合成：

合成CFR自组装肽(C-FTISDRGDLATLK)，包含巯基(结合Ga₂O₃)、RGD序列(靶向αvβ6整合素)、FTISD序列(促进自组装)。

超声法制备EGaIn液态金属核，CFR肽通过巯基结合于表面，形成LMPs。

2.材料表征：

TEM、SEM、EDS、DLS、Zeta电位、HPLC、质谱、NMR等验证结构、组成、稳定性。

3.细胞实验：

使用Hepa1-6肝癌细胞，评估LMPs的靶向性、内吞、溶酶体共定位、自融合行为、线粒体损伤、DAMP释放、cGAS-STING通路激活等。

4.动物实验：

C57BL/6J小鼠皮下接种Hepa1-6细胞，建立原位肿瘤模型。

分组治疗：Saline、LMs、LMPs、IRE、LMs+IRE、LMPs+IRE。

评估肿瘤生长、生存率、免疫细胞浸润、细胞因子表达、免疫记忆建立。

5.免疫机制研究：

流式细胞术分析DC成熟、T细胞分化(TCM、TEM、TRM)、NKT、巨噬细胞等。

ELISA检测TNF-α、IL-15、IL-18、IFN-β。

转录组学分析差异基因及通路富集。

Western blot验证cGAS-STING通路激活。

6.免疫记忆与再挑战实验：

对已治愈小鼠再次接种Hepa1-6或LLC细胞，评估肿瘤生长与免疫特异性。

实验结果

图1 | LMPs合成与作用机制示意图

(A)LMPs的合成过程：CFR肽修饰的液态金属纳米颗粒。

(B)LMPs介导的线粒体损伤放大免疫治疗诱导的肿瘤细胞死亡循环：

(i)细胞内融合后诱导线粒体功能障碍;

(ii)DAMP释放激活DC细胞，诱导T细胞介导的免疫应答，形成免疫记忆(TCM、TEM、TRM)。

图2 | LMs与LMPs的表征

(A)LMPs的TEM图像;

(B-C)EDS元素分布与谱图;

(D)LMs的TEM图像;

(E-F)LMs的EDS元素分布与谱图;

(G-H)SEM图像;

(I-J)在DI水中3 h后的TEM图像，显示LMs氧化变形;

(K)粒径分析;

(L)Zeta电位;

(M)24 h后分散状态;

(N)LMPs在Hepa1-6细胞中的生物相容性。

图3 | CFR多肽在细胞环境中的机制与实验框架

(A)LMPs靶向肿瘤细胞并自组装示意图;

(B)TEM显示LMPs与LMs在细胞膜表面分布;

(C)LMPs在含/不含整合素溶液中的聚集行为;

(D)MST分析CFR与αvβ6和Alb的结合亲和力;

(E)CD光谱分析β-折叠含量;

(F)Cy5标记纳米颗粒的荧光强度;

(G)分子动力学模拟肽与蛋白相互作用;

(H)结合能量组成;

(I)各残基对结合能的贡献;

(J)多肽在不同间距下的聚集行为;

(K)细胞摄取定量分析;

(L)Cy5与Lyso-Tracker Red的共定位曲线。

图4 | LMPs在癌细胞中的自融合过程

(A-B)LMs与LMPs在12、24、48 h的TEM图像;

(C)pH 5条件下LMPs粒径变化;

(D)pH 5 + 蛋白酶K条件下粒径变化;

(E)LMPs在细胞和模拟溶酶体环境中的EDS线扫;

(F)LMPs自融合过程的四个阶段;

(G)液态金属在细胞中的融合过程;

(H)pH对界面张力的影响;

(I)液滴尺寸与界面张力对融合时间的影响。

图5 | LMPs诱导的线粒体功能障碍

(A)LMPs介导的线粒体损伤与免疫信号通路示意图;

(B)ICP-MS检测Ga³⁺释放;

(C-D)Fe²⁺阳性细胞定量与流式;

(E)复合物IV活性;

(F-H)JC-1染色检测ΔΨm;

(I)ELISA检测DAMP释放;

(J-K)线粒体嵴数量统计;

(L)TEM显示线粒体结构;

(M)Western blot检测cGAS-STING通路;

(N-O)ROS检测。

图6 | LMPs联合IRE的体内抗肿瘤疗效

(A)小鼠背部活体成像;

(B)肿瘤区域MFI变化;

(C)96 h后离体组织荧光图像;

(D)实验设计示意图;

(E)肿瘤生长曲线;

(F)无瘤率曲线;

(G)体重变化;

(H)生存率;

(I)多重免疫组化显示CD8+ TRM、DC、CD8+ T细胞。

图7 | 抗肿瘤免疫机制分析

(A)脾脏DC成熟;

(B)肿瘤CD8+ TRM比例;

(C)NKT细胞比例;

(D)巨噬细胞比例;

(E-H)脾脏TCM和TEM分化;

(I-L)细胞因子检测;

(M)KEGG通路富集;

(N)GO富集分析;

(O-P)差异基因表达;

(Q)Western blot检测STING通路。

图8 | LMPs介导的免疫记忆体内疗效

(A)再挑战实验设计;

(B)左侧肿瘤生长曲线;

(C)无瘤率;

(D-E)IFN-γ ELISpot;

(F)Hepa1-6再挑战后肿瘤生长;

(G)LLC再挑战后肿瘤生长;

(H)体重变化;

(I)生存率。

研究结论

LMPs通过RGD肽靶向肿瘤细胞，在溶酶体酸性环境中发生自融合，延长滞留时间并持续释放Ga³⁺。

Ga³⁺通过竞争Fe²⁺干扰Fe-S簇合成，破坏线粒体电子传递链，导致ΔΨm丧失、ROS升高、cGAS-STING通路激活。

LMPs诱导的线粒体损伤促进DAMPs释放，激活DC细胞并诱导T细胞免疫应答。

联合IRE可进一步增强DAMPs释放和肿瘤抗原暴露，形成“原位疫苗”效应。

LMPs+IRE诱导长效肿瘤特异性免疫记忆，在再挑战模型中完全抑制Hepa1-6肿瘤生长，但对LLC无效，证明免疫特异性。

本研究为“SMART”ICD诱导剂提供了新范式，结合纳米技术与免疫疗法，克服肿瘤异质性与免疫抑制微环境。

文献意义:

本研究首次利用液态金属纳米粒的动态尺寸转变特性，巧妙解决了纳米药物"肿瘤穿透深度"与"胞内长效滞留"之间的矛盾。通过将镓离子的铁代谢干扰机制与纳米材料工程相结合，建立了一种"SMART"级联放大ICD的新范式。与IRE的协同应用展示了"生化预激+物理杀伤"的联合治疗策略在诱导长效抗肿瘤免疫中的巨大潜力，为下一代癌症疫苗样免疫疗法提供了全新设计蓝图。