長期以來，人們通過手術(shù)、化療、放療和靶向藥物等策略來治療腫瘤，主要聚焦于腫瘤細(xì)胞的直接殺傷，不可避免地帶來腫瘤耐藥和治療副作用等問題。近年來，通過免疫檢查點(diǎn)抑制劑和嵌合抗原受體 T（CAR-T)細(xì)胞治療等免疫療法調(diào)動(dòng)免疫系統(tǒng)，來識(shí)別和消除腫瘤細(xì)胞，展現(xiàn)出改變惡性腫瘤治療格局的潛力。免疫治療中的免疫檢查激動(dòng)劑通過增強(qiáng)免疫細(xì)胞的活性，激活免疫系統(tǒng)發(fā)揮抗腫瘤作用。目前，針對(duì)GITR、OX40和STING等通路的免疫激動(dòng)劑正在臨床試驗(yàn)階段。而目前已有免疫激動(dòng)劑存在免疫系統(tǒng)過度激活、不同患者個(gè)體化差異大、精準(zhǔn)治療藥物開發(fā)難度高等問題，導(dǎo)致臨床受益患者的比例仍然較低。代謝異常是腫瘤發(fā)生和發(fā)展的普遍且關(guān)鍵特征。目前，一些抗腫瘤代謝藥物通過調(diào)控腫瘤異常代謝通路，能夠一定程度抑制腫瘤生長。然而，現(xiàn)有代謝治療藥物存在體內(nèi)半衰期短、脫靶效應(yīng)明顯和容易干擾正常細(xì)胞代謝等問題。
近日，上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心凌代舜教授團(tuán)隊(duì)和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院李方園教授團(tuán)隊(duì)合作，在《Nature Nanotechnology》發(fā)表題為“An artificial metabzyme for tumour-cell-specific metabolic therapy”的研究論文。該研究首次聚焦腫瘤廣譜代謝標(biāo)志物作為代謝免疫檢查點(diǎn)，提出全新的腫瘤代謝激活免疫治療策略；團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新合成了一種模擬黃嘌呤氧化酶（xanthine oxidoreductase，XOR）中鐵和四面體鉬原子構(gòu)象的的FeMoO4生命體系催化劑，稱為“人工代謝酶”。
該人工代謝酶能夠催化腫瘤細(xì)胞內(nèi)黃嘌呤轉(zhuǎn)化為尿酸；尿酸分子作為新的“定位和激活信號(hào)”，實(shí)現(xiàn)激活免疫系統(tǒng)的功能，誘導(dǎo)其附近的巨噬細(xì)胞向M1表型極化，使其特異性識(shí)別并吞噬腫瘤細(xì)胞，從而精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)腫瘤特異性的代謝激活免疫治療（圖1）。有趣的是，這種代謝調(diào)節(jié)促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞間代謝與免疫系統(tǒng)的相互作用，從而引發(fā)免疫細(xì)胞對(duì)腫瘤細(xì)胞的協(xié)同攻擊——這是一種化學(xué)生物學(xué)驅(qū)動(dòng)腫瘤細(xì)胞特異性代謝激活免疫治療的范式創(chuàng)新。該人工代謝酶展示了在生命體系代謝畫布上靶向改造腫瘤細(xì)胞的潛力，將腫瘤細(xì)胞自己定位為一個(gè)燃燒的“火花”來刺激免疫系統(tǒng)的定點(diǎn)激活。
圖1. FeMoO4人工代謝酶用于腫瘤細(xì)胞特異性代謝激活免疫治療。
為了仿生模擬XOR中Mo和Fe輔因子結(jié)構(gòu)，作者發(fā)展了一種“溶蝕-吸附-錨定”單原子界面工程技術(shù)，基于MoO3-x基質(zhì)實(shí)現(xiàn)Fe單原子可控?fù)诫s，F(xiàn)e原子摻雜比例可高達(dá)20.72 wt%。通過控制Fe原子摻雜過程中的晶格重構(gòu)，作者成功構(gòu)建了具備類XOR金屬原子催化構(gòu)象（Fe2+和四面體Mo4+活性中心）和催化活性（黃嘌呤→尿酸）的FeMoO4人工代謝酶（圖2）。
圖2. FeMoO4人工代謝酶的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。
作者通過透射電鏡、元素分析、球差電鏡和同步輻射等手段，證實(shí)了Fe以單原子形式均勻分布在FeMoO4人工代謝酶結(jié)構(gòu)中。研究還發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eMoO4人工代謝酶中Fe和Mo元素價(jià)態(tài)分別為Fe2+/Fe3+和Mo4+/Mo5+/Mo6+；此外，F(xiàn)e的摻雜顯著提高了Fe-O-Mo的電子轉(zhuǎn)移效率，為在生命體系高效催化腫瘤細(xì)胞代謝產(chǎn)物黃嘌呤奠定了理化結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（圖3）。
圖3. FeMoO4人工代謝酶的理化性質(zhì)分析。
作者通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eMoO4人工代謝酶通過與氫氧根反應(yīng)形成OH–Mo–O–Fe復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合物有助于黃嘌呤的質(zhì)子轉(zhuǎn)移，從而降低反應(yīng)能壘，提高尿酸的產(chǎn)生效率。此外，F(xiàn)e原子摻雜引起的MoO3–x晶格重排，顯著提高了FeMoO4人工代謝酶對(duì)黃嘌呤底物的吸附能力和表面電子活性，這在黃嘌呤轉(zhuǎn)化為尿酸的催化過程中起到了關(guān)鍵作用（圖4）。
圖4. XOR類酶催化活性機(jī)制研究。
作者在細(xì)胞和動(dòng)物層面探究了FeMoO4人工代謝酶的代謝調(diào)控性能。FeMoO4人工代謝酶在入胞后不會(huì)直接殺傷腫瘤細(xì)胞，僅僅是將腫瘤細(xì)胞內(nèi)黃嘌呤催化為尿酸。而尿酸分子作為“定位和激活信號(hào)”誘導(dǎo)鄰近的巨噬細(xì)胞向M1表型極化，并激活NLRP3/IL-1β通路，從而使巨噬細(xì)胞能夠識(shí)別并吞噬“被定位”的腫瘤細(xì)胞。作者進(jìn)一步構(gòu)建了B16F10荷瘤小鼠模型，并發(fā)現(xiàn)腫瘤組織中黃嘌呤含量顯著高于正常組織，這為FeMoO4人工代謝酶的腫瘤選擇性代謝調(diào)控奠定了生物學(xué)基礎(chǔ)。通過空間代謝組學(xué)等技術(shù)，作者證實(shí)了經(jīng)靜脈注射FeMoO4人工代謝酶后，腫瘤組織中尿酸水平顯著升高，且這一變化與FeMoO4人工代謝酶在腫瘤組織中的時(shí)空分布高度一致（圖5）。
圖5. FeMoO4人工代謝酶活體代謝調(diào)控研究。
更令人振奮的是，F(xiàn)eMoO4人工代謝酶能夠有效抑制B16F10腫瘤的生長。通過流式細(xì)胞術(shù)和質(zhì)譜流式分析等技術(shù)，作者發(fā)現(xiàn)FeMoO4人工代謝酶顯著提高了腫瘤組織中M1型巨噬細(xì)胞、CD8+ T細(xì)胞、CD4+ T細(xì)胞和成熟樹突狀細(xì)胞（DCs）的比例，同時(shí)上調(diào)了IL-1β、TNF-α和IL-12等促炎細(xì)胞因子的水平。根據(jù)上述結(jié)果，作者得出結(jié)論：尿酸分子作為“定位和激活信號(hào)”介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞與免疫細(xì)胞的之間的相互作用：1）尿酸誘導(dǎo)鄰近的巨噬細(xì)胞向M1表型極化，并激活NLRP3/IL-1β通路，從而使巨噬細(xì)胞能夠識(shí)別并吞噬“被定位”的腫瘤細(xì)胞；2）尿酸和促炎細(xì)胞因子IL-1β能夠增強(qiáng)DCs和T細(xì)胞等免疫細(xì)胞活性，從而特異性激發(fā)抗腫瘤免疫應(yīng)答。此外，F(xiàn)eMoO4人工代謝酶與PD-1單抗聯(lián)用能夠更有效地抑制腫瘤生長，并延長小鼠的生存期（圖6）。
圖6. FeMoO4人工代謝酶介導(dǎo)腫瘤特異性代謝激活免疫治療。
這項(xiàng)研究聚焦天然代謝酶人工模擬和腫瘤-免疫細(xì)胞互作調(diào)控，合成特定調(diào)控代謝通路和代謝產(chǎn)物的人工代謝酶，提出一種新型代謝免疫檢查激動(dòng)策略，為代謝異常相關(guān)重大疾?。ò[瘤、心血管疾病、痛風(fēng)、糖尿病等）提供基于人工代謝酶的全新代謝免疫調(diào)控策略，開創(chuàng)化學(xué)生物學(xué)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)代謝治療新范式。（來源上海交通大學(xué)）
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