西安交大胥伟军/锁爱莉/钱军民ACS Nano：中空双金属纳米放大器级联诱导内质网应激和线粒体损伤用于癌症治疗

内质网是蛋白质合成、折叠、运输和钙储存等的关键细胞器。与正常细胞相比，癌细胞由于未折叠和错误折叠的蛋白积累而表现出更高水平的内质网应激。癌细胞通过启动未折叠蛋白反应来缓解这种应激，从而促进细胞存活和肿瘤进展。而强烈持续的内质网应激可打破内质网平衡，通过多种途径诱导癌细胞死亡，包括凋亡、副凋亡、自噬和焦亡等。

除内质网外，诱导线粒体功能障碍也被广泛用于癌症治疗。最近研究发现，铜离子超载介导的铜死亡途径是引发线粒体功能障碍的有效策略。铜死亡是一种近期发现的靶向于线粒体的调节性细胞死亡形式，其机制为：Cu²⁺与三羧酸循环中的脂酰化成分结合，导致脂酰化蛋白的异常寡聚及呼吸链复合体中Fe-S簇蛋白的丢失，引起蛋白质毒性应激和细胞死亡。

在空间上和功能上，内质网和线粒体通过多个接触位点相互作用以确保细胞功能协调，这些接触位点被称为线粒体相关内质网膜（MAMs）。MAMs深度参与细胞内微环境的调控，尤其是活性氧（ROS）和Ca²⁺的交换。内质网应激往往导致Ca²⁺通过MAMs从内质网流向线粒体，造成线粒体ROS升高，这反过来又会加剧内质网应激和Ca²⁺释放。内质网应激和线粒体紊乱之间的这种恶性循环有望促进细胞凋亡和副凋亡。因此，同时诱导内质网应激和线粒体功能障碍是一种极具潜力的癌症治疗策略。

图1. 钙/铜双金属纳米放大器构建及治疗机制示意图

在此背景下，西安交通大学钱军民教授团队构建了一种中空结构钙/铜双金属纳米放大器，通过诱导内质网-线粒体应激级联循环放大用于乳腺癌铜死亡/副凋亡/凋亡三模式联合治疗（图1）。团队前期研究发现Cu²⁺和Fe²⁺能与3,3'-二硫代二(丙酰肼)形成配位聚合物并分别诱导铜死亡和铁死亡（Adv. Funct. Mater. 2022, 2205013；Chem. Eng. J. 2022, 437: 135311.），Cu²⁺还可与双硫仑（DSF）反应生成二硫代氨基甲酸铜复合物（CuET），通过抑制泛素-蛋白酶体系统诱导内质网应激（Adv. Healthcare Mater. 2023, 2202949）。在此基础上，本研究利用磷酸盐调控无定形CaCO₃（ACC）纳米粒的溶解-重结晶过程制备了中空CaCO₃（HCC）纳米粒，进一步通过铜-酰肼配位聚合物和透明质酸包覆负载DSF的中空CaCO₃纳米粒，构建了中空结构钙/铜双金属纳米放大器。在肿瘤细胞内，双硫仑和Cu²⁺原位生成的CuET会抑制泛素-蛋白酶体系统，导致内质网应激和胞内Ca²⁺重分配。同时，该放大器通过诱导线粒体Ca²⁺爆发、ROS生成及铜死亡导致线粒体功能障碍。结果表明，该纳米放大器能诱导乳腺癌细胞通过铜死亡、类凋亡和凋亡三种途径死亡，从而显示出优异的抗肿瘤效果。该研究为诱导亚细胞器功能紊乱以促进癌症多模式治疗提供了新策略。

相关工作以“Hollow Calcium/Copper Bimetallic Amplifier for Cuproptosis/Paraptosis/Apoptosis Cancer Therapy via Cascade Reinforcement of Endoplasmic Reticulum Stress and Mitochondrial Dysfunction”为题发表在ACS Nano上。

该研究发现ACC纳米粒在水中极其不稳定，会迅速通过溶解-再结晶过程聚集形成大颗粒方解石，而磷酸盐可以有效调控该过程。进一步研究表明，磷酸盐浓度及反应体系中乙醇/水的体积比对HCC的形成均有重要影响。通过优化反应条件，成功制备的得到分散性良好、形貌均一的HCC纳米粒（图2）。

图2. HCC纳米粒的制备及形成机制

进一步利用HCC装载DSF，利用Cu²⁺与3,3'-二硫代二(丙酰肼)原位配位聚合在HCC表面修饰铜-酰肼配位聚合物，最后修饰酰肼化改性透明质酸，得到纳米放大器D@HCC-CuTH（图3）。

图3. D@HCC-CuTH纳米放大器的制备

体外实验表明，D@HCC-CuTH通过原位生成CuET引起Ub蛋白的积累，进而导致内质网应激及Ca²⁺从内质网向细胞质和线粒体外流。内源性Ca²⁺的重编程和外源性CaCO₃降解引起的Ca²⁺爆发进一步导致线粒体Ca²⁺超载，从而引发细胞类凋亡（图4）。同时，释放的Cu²⁺导致DLAT蛋白的聚集和Fe-S簇蛋白的丢失，导致细胞铜死亡。线粒体Ca²⁺超载、3,3'-二硫代二(丙酰肼)介导的谷胱甘肽耗竭和铜催化的•OH生成，显著增加了细胞内的ROS水平，形成ROS和钙超载自我放大恶性循环，从而导致严重的线粒体功能障碍（图5）。

图4. D@HCC-CuTH放大内质网应激

图5. D@HCC-CuTH诱导线粒体功能紊乱

体内研究表明，D@HCC-CuTH具有良好的血液相容性和较长的血液半衰期，能在肿瘤内富集并显著抑制肿瘤生长。组织学分析未观察到明显的系统毒性，表明其具有良好的生物相容性（图6）。

图6. 体内抗肿瘤效果评估

该研究为大规模制备中空结构碳酸钙纳米粒提供了一种简单温和的方法，有望拓宽CaCO₃的生物医学应用。同时诱导内质网应激和线粒体功能障碍的级联放大策略也为癌症的多模式治疗提供了新的思路。

西安交通大学材料科学与工程学院胥伟军副教授为论文第一作者，西安交通大学材料科学与工程学院钱军民教授和西安交通大学第一附属医院锁爱莉教授为共同通讯作者，同时该论文得到了西安交通大学基础医学院张明真教授的大力帮助。本研究受到国家自然科学基金、陕西省重点研发计划和中国博士后科学基金等项目资助。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c11455