代谢重编程是癌症的重要特征之一。肿瘤细胞的特定代谢途径及其在肿瘤微环境（
TME
）中积累的代谢产物大大限制了效应
T
细胞对肿瘤细胞的免疫监视和杀伤能力。靶向
TME
改变肿瘤代谢途径被认为是下一代癌症治疗的理想策略。研究表明，
TME
中乳酸的积累不仅促进了肿瘤的生长、侵袭和转移，还削弱了效应
T
细胞和自然杀伤细胞的功能，并促进了巨噬细胞的
M2
型免疫抑制表型转化，从而建立了免疫抑制微环境。令人鼓舞的是，已被开发的调节乳酸代谢策略，能够逆转免疫抑制微环境，激活免疫系统。
纳米递送系统为改善蛋白质和小分子药物的递送效率提供了一种新的策略，在改变肿瘤和免疫细胞的代谢途径方面展示出良好的应用潜力。研究显示，通过纳米载体递送乳酸氧化酶（
LOX
）或乳酸外排抑制剂来调节乳酸代谢，并结合声动力治疗、光热治疗或化疗等策略显示出良好的抗肿瘤效果。相关研究显示乳酸作为关键代谢靶点，为激活免疫治疗提供了一种新的可行策略。然而，当前的乳酸代谢治疗策略主要集中在减少乳酸含量，设计能够同时耗竭
TME
中乳酸并利用其降解产物过氧化氢（
H
2
O
2
）增强肿瘤治疗的纳米药物可大大提高肿瘤治疗效果。此外，由于肿瘤细胞的代谢具有高度的可塑性，将乳酸代谢调节与其他代谢途径结合起来靶向多条代谢途径有望实现更高效的代谢调控治疗。
肿瘤细胞的氧化还原代谢被认为是肿瘤治疗的一个有效靶点。基于金属离子介导的芬顿或类芬顿反应的化学动力学治疗（
CDT
）是调节肿瘤氧化还原代谢平衡实现肿瘤治疗的典型代表。其原理是通过将
H
2
O
2
转化为更具毒性的羟基自由基（•
OH
），从而诱导肿瘤细胞凋亡。尽管
CDT
具有良好的应用潜力，但是肿瘤内低浓度的
H
2
O
2
限制了•
OH
的持续产生。另外，细胞内高水平的还原性物质谷胱甘肽（
GSH
）则会捕捉生成的•
OH
，限制了
CDT
的治疗效果。因此，构建能够提高
H
2
O
2
含量并降低
GSH
水平的纳米药物是提高
CDT
效率的关键。层状双金属氢氧化物（
LDH
）是一种典型的二维无机纳米材料，具有合成简便、易于掺杂二价和三价金属离子、对
pH
敏感和良好的生物相容性等特点，在肿瘤的诊断及治疗领域显示出良好的转化潜力。
基于此，
东华大学
沈明武研究员
/
史向阳教授团队
设计
了
一种简单的
Cu
2+
掺杂
LDH
纳米平台，
共递送
单羧酸转运蛋白抑制剂
双氯芬酸（
DC
）
和
LOX
，用于乳酸
代谢
和氧化还原代谢的双重调控，
旨在实现级联
增强
的化学动力学
/
免疫
治疗（
图
1
）
。首先，通过共沉淀法合成了
LDH-DC
纳米颗粒，随后通过静电相互作用将
LOX
负载到
LDH-DC
纳米颗粒的表面
，进而获得
LDH-DC-
LOX
纳米药物
。
图
1
、
LDH-DC-LOX
纳米颗粒的制备及其用于调节乳酸和氧化还原代谢诱导级联的化学动力学
/
免疫疗法。
本研究合成的
Cu
2+
掺杂
LDH
粒径大小约为
50 nm
，
Cu
2+
掺杂并负载
DC
的
LDH-DC
纳米颗粒大小约为
55 nm
（图
2A-B
）。
SDS-PAGE
分析、紫外光谱分析、红外光谱分析表明
DC
和
LOX
被成功负载到
Cu
2+
掺杂
LDH
纳米平台（图
2C-E
）。水合粒径测试显示
LDH-DC-LOX
纳米药物具有良好的胶体稳定性（图
2F
）。此外，
LDH-DC-LOX
高效保留了
LOX
催化活性，能够催化乳酸产生
H
2
O
2
（图
2G
）。掺杂的
Cu
2+
能够通过类芬顿反应催化
H
2
O
2
生成毒性更高的
•OH
（图
2H-I
）。
图
2
、
（
A
）
LDH
和（
B
）
LDH-DC
纳米颗粒的透射电子显微镜（
TEM
）图像
（标尺：
10
0 μm
）
。（
C
）
LDH-DC
、
LOX
、
LDH-DC-LOX
、
BSA
、
LDH-DC-BSA
的
SDS-PAGE
蛋白分析。
LDH
、
DC
、
LDH-DC
、
LOX
、
LDH-DC-LOX
的（
D
）紫外光谱和（
E
）红外光谱。（
F
）
LDH-DC-LOX
在不同分散剂中的水合粒径变化。（
G
）
LDH-DC-LOX
的乳酸降解能力。（
H
）
LDH-DC-LOX
在不同溶液中的电子自旋共振（
ESR
）图谱。（
I
）
LDH-DC-LOX
与亚甲基蓝（
MB
）溶液反应后的紫外吸收光谱。
团队选用
4T1
小鼠乳腺癌细胞进行体外实验评价。在一定范围内，随着浓度的增加，
LDH
的抗癌效果逐渐增强，且在负载
DC
和
LOX
之后，显示出更强的抗癌活性（图
3A
）。其抗癌机制探究显示，
LDH-DC-LOX
共同递送的
DC
和
LOX
能够显著降低细胞内及细胞外的乳酸水平（图
3B-C
），表明该纳米药物具有良好的乳酸调节能力。掺杂的
Cu
2+
能够被肿瘤细胞内的
GSH
还原以降低
GSH
水平（图
3D
）。流式分析显示，
LDH-DC-LOX
纳米药物处理后，细胞内活性氧（
ROS
）显著增加，原因可能是
DC
抑制了乳酸外排出癌细胞，
LOX
将乳酸转化为
H
2
O
2
，增加的
H
2
O
2
促进类芬顿反应生成
•OH
。此外
Cu
2+
消耗的
GSH
及
Cu
+
的生成进一步增加了
•OH
的生成（图
3E-G
）。以上结果表明
LDH-DC-LOX
具有良好的乳酸代谢和氧化还原代谢双重调节能力。
图
3
、
（
A
）不同浓度
LDH
、
LDH-DC-BSA
、
LDH-LOX
或
LDH-DC-LOX
处理
4T1
细胞
24
小时的
细胞活力
（
n = 6
）。
4T1
细胞经不同处理
12 h
（
B
）细胞内和（
C
）细胞外的乳酸含量
（
n = 3
）。
4T1
细胞经不同处理
6 h
细胞内的
（
D
）
GSH
含量及（
E
和
F
）
ROS
含量
（
n = 3
）
。（
G
）
LDH-DC-LOX
改变肿瘤细胞内氧化还原平衡增加
ROS
含量示意图。
图（
A
-
D
，
F
）
中
，
*
表示
p < 0.05
，
*
*
表示
p < 0.0
1
，
***
表示
p < 0.001
。
激光共聚焦显微镜观察显示经
LDH-DC-LOX
处理后，
4T1
细胞内的
R
OS
含量明显增加（图
4A
），且增加的
R
OS
进一步导致细胞内
LPO
积累（图
4B
）。流式细胞术结果显示，
4T1
细胞经不同处理后，与对照组相比，
LDH-DC-LOX
组展示出最高的凋亡率
（图
4C
）。
图
4
、
4T1
细胞经不同处理
6 h
的（
A
）
R
OS
含量检测及（
B
）脂质过氧化物（
LPO
）含量检测的激光共聚焦图片
（标尺：
2
0 μm
）。（
C
）
4T1
细胞经不同处理
24 h
凋亡检测的流式细胞术点图
（
n = 3
）。
随后，团队建立小鼠
4T1
皮下瘤模型进行体内抗肿瘤效果评价（图
5A
）。在治疗及监测周期内各组小鼠体重无明显降低，表面各组材料注射后均无明显系统毒性（图
5B
）。通过监测小鼠肿瘤体积变化并称量最终的肿瘤质量发现，
LDH-DC-LOX
具有良好的肿瘤生长抑制效果（图
5C-D
）。治疗后小鼠的肿瘤切片染色结果也显示，
LDH-DC-LOX
组展示出最多的细胞坏死、凋亡及最少的肺部转移病灶（图
5E-F
），表明
LDH-DC-LOX
在体内具有良好的抑制肿瘤生长及转移效果。
图
5
、
（
A
）
小鼠
4T1
肿瘤建立和抗肿瘤实验评价流程示意图
。（
B
）
荷瘤小鼠经
不同
治疗后的（
B
）相对体重变化
（
n =
5
）
、（
C
）相对肿瘤体积变化
（
n =
5
）
、（
D
）肿瘤体积变化
（
n =
5
）。
（
E
）各实验组小鼠肿瘤切片的
H&E
及
TUNEL
染色图片
（标尺：
5
0 μm
）
。（
F
）各实验组小鼠肺组织切片的
H&E
染色图片
（标尺：
1
m
m
）
。
图（
C
-
D
）中，
*
表示
p < 0.05
，
*
*
表示
p < 0.0
1
，
***
表示
p < 0.001
。
团队对
LDH-DC-LOX
的体内抗肿瘤机制进行了探究。首先是治疗后
LDH-DC-LOX
对体内免疫系统的激活情况。结果显示，
LDH-DC-LOX
治疗后，肿瘤中乳酸含量显著降低，肿瘤及脾脏中
CD4
+
T
细胞和
CD8
+
T
细胞浸润均显著增加，表明该纳米药物系统在体内具有调节乳酸代谢能力，激活免疫系统，发挥免疫治疗效果（图
6A-D
）。小鼠血清中的抗肿瘤相关细胞因子水平包括肿瘤坏死因子
α
（
TNF-
α
）、颗粒酶
B
（
Granzyme-B
）和干扰素γ（
IFN-
γ）等也明显提升（图
6E-G
）。荷瘤小鼠经
LDH-DC-LOX
治疗后免疫系统被激活可能是
LDH-DC-LOX
治疗后肿瘤中乳酸含量降低导致的。此外，
LDH-DC-LOX
引起的
CDT
可能导致的免疫原性死亡也一定程度激活免疫系统。
图
6
、
不同实
验组小鼠肿瘤中（
A
）
CD 4
+
T
细胞和（
B
）
CD 8
+
T
细胞的流式细胞术点图。不同实验组小鼠脾脏中（
C
）
CD 4
+
T
细胞和（
D
）
CD 8
+
T
细胞的流式细胞术点图。各实验组小鼠血清中（
E
）
TNF-
α、（
F
）
Granzyme-B
和（
F
）
IFN-
γ的
ELISA
检测结果（
n = 3
）。
图（
E
-
G
）中，
*
*
表示
p < 0.0
1
，
***
表示
p < 0.001
。
随后，团队探究了
LDH-DC-LOX
治疗后激活的免疫治疗对
CDT
的级联增强机制。结果显示，
LDH-DC-LOX
治疗后，肿瘤中干扰素调节因子
1
（
IRF1
）的表达显著增加，胱氨酸
/
谷氨酸反向转运蛋白（
SLC7A11
）的表达显著减少，谷胱甘肽过氧化物酶（
GPX4
）的表达显著降低，
GSH
含量显著降低（图
7A-D
）。肿瘤切片的荧光染色结果及定量分析显示
LDH-DC-LOX
组显示出更高的
ROS
含量及
LPO
积累，表明
CDT
效果被显著增强（图
7E-G
）。其作用机制是
LDH-DC-LOX
激活免疫系统，增加的
IFN-
γ诱导了
IRF1
上调。
IRF1
的上调抑制了
SLC7A11
的表达，从而减少细胞内胱氨酸的摄取并抑制
GSH
的合成。此外，掺杂的
Cu
2+
与
GSH
反应，同时直接消耗了细胞内的
GSH
，最终导致细胞内
GSH
显著降低。
GSH
水平降低削弱了肿瘤细胞对•
OH
损伤的防御能力。此外，
SLC7A11
的下调间接导致
GPX4
水平的降低。
GPX4
是一种依赖
GSH
的酶，通过中和脂质过氧化氢来防止
LPO
的积累，从而保护细胞。当
GPX4
表达降低时，
LPO
水平显著增加，从而使肿瘤细胞对
CDT
的敏感性增加。
图
7
、
不同实验组小鼠肿瘤中（
A
）
IRF1
、（
B
）
SLC7A11
、（
C
）
GPX4
蛋白表达水平的定量结果图。（
D
）不同实验组小鼠肿瘤肿
GSH
含量。不同实验组小鼠肿瘤的（
E
和
F
）
ROS
和（
E
和
G
）
LPO
荧光图像及其定量分析。
综上所述，本研究
设计的
LDH-DC-LOX
纳米
药物
具有以下显著特点：（
1
）
Cu
2+
、
DC
、
LOX
可在酸性
TME
条件下
从纳米
平台
中释放；（
2
）
DC
和
LOX
的联合作用
可有效调节乳酸代谢，
减少
TME
中的乳酸，从而激活免疫治疗
，
并生成
H
2
O
2
；（
3
）
掺杂的
Cu
2+
能够有效调节肿瘤细胞的氧化还原代谢，通过类芬顿
反应将
H
2
O
2
转化为更具毒性的
•OH
，且
通过消耗细胞内的
GSH
增强
CDT
；（
4
）
LOX
催化
乳酸
产生的
H
2
O
2
和由免疫应答激活后分泌的细胞因子
IFN-γ
可进一步增强
CDT
效果。
因此，本研究
所
设计
的
LDH-DC-LOX
纳米药物
能够
有效地调节乳酸和氧化还原
双重
代谢
途径
，通过级联作用激活免疫治疗并增强
CDT
，为靶向代谢调控治疗肿瘤提供了新的策略
。
以上研究成果以“
Copper-doped layered double hydroxides co-deliver proteins/drugs for cascaded chemodynamic/immunotherapy via dual regulation of tumor metabolism
”为题，在线发表于国际著名期刊
A
c
ta Biom
a
teria
li
a
。东华大学生物与医学工程学院
沈明武研究员和史向阳教授
为共同通讯作者，东华大学博士生
李高明
为第一作者。该工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、上海市科委等项目的资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.actbio.2025.02.008
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