研究簡(jiǎn)介:蘋果酸鹽在腫瘤的發(fā)生和發(fā)育中起著關(guān)鍵作用。作為關(guān)鍵的代謝中間體，蘋果酸參與細(xì)胞能量代謝和酸堿穩(wěn)態(tài)。研究表明，蘋果酸鹽不僅影響細(xì)胞生長(zhǎng)和凋亡，還調(diào)節(jié)細(xì)胞周期，并在腫瘤細(xì)胞的能量代謝中發(fā)揮促進(jìn)作用。在腫瘤微環(huán)境中，蘋果酸鹽濃度的變化可能影響腫瘤細(xì)胞的代謝狀態(tài)和增殖能力，進(jìn)一步促進(jìn)其存活和轉(zhuǎn)移。蘋果酸鹽/天冬氨酸穿梭對(duì)于維持線粒體膜電位（MMP）以及支持腫瘤代謝和存活至關(guān)重要。然而開發(fā)有效且可控的策略以在體內(nèi)控蘋果酸鹽代謝仍是一大挑戰(zhàn)。本文我們報(bào)告了一種聲源激活的蘋果酸鹽耗竭調(diào)制劑（MDM），GO/BCT：Mn，它將石墨烯氧化物（GO）與Ca/Mn共摻雜鋇鈦酸鹽（BCT：Mn）納米顆粒整合，實(shí)現(xiàn)在超聲刺激下同時(shí)代謝和免疫調(diào)節(jié)。機(jī)制性研究表明，超聲波會(huì)觸發(fā)GO/BCT：Mn中的空間電荷分離，產(chǎn)生還原電子和氧化空穴。電子驅(qū)動(dòng)H+還原為H2，降低MMP并產(chǎn)生氣體治療效果，而氧化空洞則將NADH轉(zhuǎn)化為NAD+，抑制蘋果酸鹽合成并破壞蘋果酸/天冬氨酸穿梭，從而損害線粒體完整性。這些協(xié)同作用可誘導(dǎo)線粒體去極化、自噬和凋亡。在小鼠結(jié)腸癌模型中，GO/BCT：Mn治療顯著抑制腫瘤細(xì)胞增殖（Ki67）和血管生成（VEGF，CD31），同時(shí)促進(jìn)細(xì)胞凋亡（TUNEL，Caspase-3）。轉(zhuǎn)錄組學(xué)和流式細(xì)胞術(shù)分析進(jìn)一步顯示免疫相關(guān)通路的激活，伴隨著CD4+/CD8+T細(xì)胞和成熟樹突狀細(xì)胞的浸潤增加，表明代謝擾動(dòng)協(xié)同增強(qiáng)抗腫瘤免疫。

Unisense微電極測(cè)定系統(tǒng)的應(yīng)用

unisense氫電極在研究中被用于精確測(cè)量超聲刺激下GO/BCT:Mn納米材料催化產(chǎn)生的氫氣濃度，是驗(yàn)證其壓電催化還原反應(yīng)（H?還原為H?）的關(guān)鍵設(shè)備。配制pH為6的酸性溶液作為反應(yīng)基礎(chǔ)，隨后將不同的納米材料（GO/BTO,GO/BCT,BCT:Mn,GO/BCT:Mn）分別加入溶液中，形成不同的實(shí)驗(yàn)組。每個(gè)盛有溶液的小燒杯都用封口膜密封，以確保超聲刺激過程中產(chǎn)生的氫氣不會(huì)逸散。超聲結(jié)束后，將unisense氫電極小心地穿過封口膜插入每個(gè)燒杯的溶液中。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本研究展示了一種突破性方法，通過創(chuàng)造一種名為GO/BCT：Mn的蘋果酸鹽耗盡調(diào)制劑（MDM）的納米配方，有效實(shí)現(xiàn)腫瘤代謝重塑。這種獨(dú)特的納米配方結(jié)合了壓電效應(yīng)和超聲技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過鈣和錳元素的共摻雜和Go的封裝，引入了一種新的雙重催化機(jī)制。這代表了納米技術(shù)和腫瘤治療的創(chuàng)新進(jìn)展，并提供了一種通過直接干擾腫瘤細(xì)胞代謝通路來抑制腫瘤生長(zhǎng)和增殖的新方法。GO/BCT：Mn MDM通過表面產(chǎn)生的高還原電位和高氧化潛力，有效破壞腫瘤細(xì)胞中重要的代謝通路。特別是，GO/BCT：Mn MDM通過將H+還原為H2，有效降低線粒體膜電位，并通過將NADH氧化為NAD+阻斷蘋果酸鹽脫氫，從而阻斷蘋果酸鹽脫氫酶介導(dǎo)的蘋果酸鹽生成，開辟腫瘤細(xì)胞凋亡的新途徑。這一獨(dú)特作用機(jī)制不僅限制了腫瘤的營養(yǎng)吸收和增殖能力，還通過顯著降低腫瘤中蘋果酸鹽含量、抑制腫瘤細(xì)胞增殖并激活凋亡途徑，證明了其在腫瘤治療中的高效性和安全性。Balb/c小鼠的體內(nèi)研究顯示，GO/BCT：Mn MDM不僅有效抑制腫瘤生長(zhǎng)，并在40天觀察期內(nèi)耐受良好，還促進(jìn)樹突狀細(xì)胞和CD4+/CD8+T細(xì)胞的浸潤和激活，同時(shí)減少免疫抑制群體，共同誘導(dǎo)強(qiáng)健的抗腫瘤免疫反應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了GO/BCT：Mn MDM作為一種多功能納米平臺(tái)的治療前景，該平臺(tái)整合了代謝干擾與免疫激活，實(shí)現(xiàn)腫瘤抑制的協(xié)同作用。

圖1、Go/BCT：Mn MDM.a)合成手術(shù)方案及壓電催化抗癌方案，GO/BCT：Mn MDM抵達(dá)腫瘤部位的作用示意圖。GO/BCT：Mn MDM通過尾靜脈注入小鼠，并通過增強(qiáng)通透性和保留（EPR）效應(yīng)在腫瘤部位富集。GO/BCT：Mn MDM隨后被腫瘤細(xì)胞內(nèi)吞，并通過溶酶體逃逸進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。在超聲刺激下，GO/BCT：Mn MDM極化產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子將H+還原為H2，而空穴通過Seebeck效應(yīng)將NADH氧化為NAD+，阻止OAA轉(zhuǎn)化為蘋果酸鹽，從而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。b)GO/BCT：Mn MDM內(nèi)部極化示意圖。在超聲刺激下，GO/BCT：Mn MDM內(nèi)部電子因機(jī)械力而發(fā)生偏移，形成內(nèi)置電極，并在其表面形成電子和空穴。c)腫瘤細(xì)胞中GO/BCT：Mn的MDM作H+攝入的示意圖。GO/BCT：Mn MDM在超聲刺激下產(chǎn)生的電子將H+還原為H2（反應(yīng)1），從而降低線粒體膜電位（MMP），進(jìn)而降低線粒體呼吸鏈復(fù)合體I-V的活性，最終誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。d)GO/BCT：Mn MDM調(diào)控蘋果酸鹽在腫瘤代謝中的耗盡的示意圖。超聲刺激下GO/BCT：Mn MDM產(chǎn)生的空洞將NADH氧化為NAD+（反應(yīng)2），從而抑制OAA轉(zhuǎn)化為蘋果酸鹽。蘋果酸鹽的耗竭阻斷了蘋果酸鹽/天冬氨酸穿梭通路，降低了MMP和線粒體基質(zhì)中蘋果酸的濃度，抑制了三羧酸（TCA）循環(huán)，從而影響腫瘤細(xì)胞的能量代謝效率，最終誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡。

圖2、石墨烯氧化物/摻鋇鈦酸鈣的合成與表征。a，GO/BCT：Mn.b的合成過程示意圖，球狀GO/BCT：Mn的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。比例條：50 nm。c，GO/BCT：Mn的放大TEM圖像。比例條：20 nm d，GO/BCT：Mn的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像。比例條：10 nm。e，GO/BCT：Mn的高角度環(huán)形暗場(chǎng)（HAADF）圖像。比例條：50 nm。f，GO/BCT：Mn的元素映射圖像。比例條：50 nm。合并圖像的下一行從左到右顯示了壓電納米粒子的Ba、Ti、O、Ca和Mng g的元素映射圖像，以及43–47°的放大圖樣（右）。壓電納米顆粒（PZNPs）包括鈦酸鋇（BTO）、氧化石墨烯/鈦酸鋇（GO/BTO）、石墨烯氧化物/鈦酸鋇鈣（GO/BCT）和GO/BCT：Mn.h，X射線光電子光譜（XPS）巡天光譜（XPS）GO/BCT：Mn.i，Go/BCT：Mn.j的Mn2p區(qū)域詳細(xì)XPS光譜，PZNP和GO的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）光譜（左），以及1500-1900 cm-1的放大倍率（右）。k，PZNPs的拉曼光譜，BTO、BCT：Mn、GO/BCT：Mn和GO的熱重曲線（TG）。內(nèi)圖顯示了400–600°C的放大圖。