饶江宏Nature Biotech.: 兵粮寸断！肿瘤治疗纳米药物取得新进展！

人类使用铜及其合金已有数千年历史了，如青铜器时代，到如今随处可见的铜制品。同样，铜在人体里面也是不可缺少的微量营养素，铜在人体内含量约100～150mg，对于人体健康有重要的影响。铜离子在细胞内以辅基的形式参与许多重要的代谢途径，涉及细胞呼吸、神经递质的传递和抵抗氧化应激等生理过程。

研究表明，乳腺癌患者体内显示线粒体铜伴侣蛋白和伴侣蛋白COX17和SCO2上调，这表明与正常细胞相比，乳腺癌细胞对铜向线粒体的转运的需求很高。如果对线粒体铜进行消耗，这将使新陈代谢从呼吸转变为糖酵解，并降低了能量的产生，这可以有效地抵抗依赖于氧化磷酸化的癌症类型。

（简单点理解就是，抓住生物化学中细胞获取能量的途径：既然这个癌细胞喜欢通过氧化磷酸化获取能量，那我就切断这个途径，只让它通过产能较低的途径进行活性，把供能切断，那细胞自然而然就被K掉了）

针对细胞利用葡萄糖的几个阶段可看下下图：

图自网络

而对于高转移风险的三阴性乳腺癌（TNBC）就是其中的一种，TNBC细胞在代谢方面倾向于输入和利用脂质作为能量，且脂肪酸氧化在TNBC细胞中Src途径的激活中也至关重要。因此，氧化磷酸化和脂肪酸氧化是TNBC治疗的有吸引力的目标。但是，现有的铜螯合剂对于癌症治疗而言过于有毒或无效。

成果简介

在这里，美国斯坦福大学饶江宏教授等人开发了一种安全的、靶向线粒体的、消耗铜的纳米颗粒（copper-depleting nanoparticle，CDN），而对健康组织的副作用降到最小，而且CDN的给药可抑制肿瘤的生长并显着提高生存率。其有效性和安全性提示了这种方法的潜在临床意义。成果以题为“Mitochondrial copper depletion suppresses triple-negative breast cancer in mice”发表在Nature Biotechnology上。

载体设计

CDN结合了两个组件：耗尽铜的部分（copper-depleting moiety，CDM）和半导体聚合物纳米颗粒（SPN）。其中CDM 是由N,N-二(2-吡啶甲基)乙二胺和三碳菁组成。当铜结合时，来自三碳菁的近红外荧光信号被猝灭，提供了螯合的实时反馈。值得注意的是，加入CDM后，CDN整体显示正电荷，这有助于线粒体的靶向性。

使用两个SPN生成具有不同光学特性的CDN。SPN在1100nm处是光声的，并且可以通过光声成像在体内无创地追踪。当与来自CDM的荧光信号变化进行耦合时，系统的光信号可以报告CDN的数量以及目标器官中铜的结合状态。fCDN是一种基于荧光共振能量转移（FRET）的配方，其中聚合物充当FRET供体，CDM充当受体。fCDN通过荧光比例成像检测铜结合，适用于细胞机制研究和离体定量。

图|CDN的设计和表征

整体作用过程：

1）首先，利用癌细胞线粒体高的负跨膜电位，偶联的带正电的荧光部分可将螯合剂直接导向癌细胞的线粒体，实现CDN在细胞内线粒体中的累积和线粒体膜电位受损，并有利于局部的铜消耗。

2）线粒体中的铜耗竭的直接结果COX活性下降，这随后导致细胞氧化磷酸化(OXPHOS)的关闭，干扰了OXPHOS相关的细胞生物能。

3）CDNs减少耗氧量和氧化磷酸化后，这就引起细胞的代谢途径的改变，使得TNBC细胞经历了从OXPHOS到糖酵解的代谢转换，并减少TNBC细胞中的ATP产生。这种能量缺乏以及线粒体膜电位受损和氧化应激升高会导致细胞凋亡。

图|CDN诱导的线粒体OXPHOS抑制作用改变TNBC细胞的代谢

维持低铜水平长达5天

为了研究体内的铜消耗动力学，研究人员纵向观察了CDN给药后MDA-MB-231luc肿瘤中CCL-1生物发光、CDM荧光和SPN光声信号。结果表明，单次注射后，CDN可以在肿瘤区域积聚，局部消耗铜，并在肿瘤中维持低铜水平长达5 天。而且，CDN表现出更高的耗竭效率和更好的治疗功效，并且损害了线粒体膜电位，从而促进了癌细胞的凋亡。

图| CDN在体内有效消耗铜

CDN是TNBC的有效安全药物

CDN的毒性应低于现有的铜螯合剂，因为它们优先剥夺了癌细胞线粒体中的铜，而不是全身消耗。实际上，研究人员证明了CDN在健康小鼠中的低毒性。在TNBC的三种小鼠模型中，CDN的给药可抑制肿瘤的生长并显着提高生存率。

图| CDN抑制TNBC肿瘤生长

小结：

总而言之，通过利用CDN导致的铜耗竭，导致能量和营养缺乏以及氧化应激和线粒体膜破裂的加剧，这些都导致TNBC细胞凋亡。CDN的设计和应用可能会为消耗铜的癌症干预开辟新的途径。

参考文献：

1. Cui, L., et al. Mitochondrial copper depletion suppresses triple-negative breast cancer in mice. Nat Biotechnol (2020).

https://doi.org/10.1038/s41587-020-0707-9

2. 糖酵解与氧化磷酸化:https://wenku.baidu.com/view/454628b06ad97f192279168884868762caaebbaa.html