新加坡南洋理工ACS Nano：多功能磷酸钙纳米平台通过协同铜/钙过载和抗血管生成增强癌症治疗

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背景介绍

铜是人体内第三丰富的过渡金属，作为多种关键酶（如酪氨酸酶、铜/锌超氧化物歧化酶）的辅因子，在细胞呼吸、神经传递、抗氧化防御等生理过程中发挥重要作用。然而，铜稳态失调与多种疾病相关，包括神经退行性疾病和癌症。最近，Tsvetkov等人发现了一种由铜过载引发的全新细胞死亡机制，命名为铜死亡（cuproptosis），其特征是铁硫簇蛋白不稳定和脂酰化线粒体酶聚集，区别于凋亡、坏死性凋亡、焦亡和铁死亡等已知死亡方式。尽管铜死亡在癌症治疗中展现出巨大潜力，但肿瘤细胞通过铜转运蛋白（ATP7A/ATP7B）将过量铜离子泵出细胞，同时肿瘤微环境中高水平的谷胱甘肽（GSH）进一步阻碍了铜离子的有效积累，限制了铜死亡疗法的应用。

研究思路

针对这一挑战，新加坡南洋理工大学化学化工与生物技术学院赵彦利教授团队开发了一种多功能磷酸钙纳米平台（CaP/Cu-F），通过协同诱导铜死亡、钙过载和抗血管生成，实现增强的癌症治疗效果。研究团队将谷胱甘肽合成抑制剂BSO掺入铜掺杂的磷酸钙纳米颗粒中，并负载血管内皮生长因子受体抑制剂呋喹替尼，构建了CaP/Cu-F纳米平台。该平台通过双重机制消耗GSH：BSO抑制GSH合成，而Cu²⁺在还原为Cu⁺的过程中进一步消耗GSH。GSH耗竭削弱了肿瘤的抗氧化防御能力，同时Cu⁺通过芬顿样反应产生羟基自由基，放大氧化应激。这种氧化还原失衡与纳米平台在酸性肿瘤微环境中释放的Ca²⁺协同作用，诱导钙过载，导致线粒体功能障碍、ATP耗竭和铜外排蛋白ATP7A下调，从而促进细胞内铜积累，最终触发铜死亡。此外，释放的呋喹替尼通过抑制VEGFR信号通路，使肿瘤血管正常化，上调ICAM1表达，促进免疫细胞浸润，增强抗肿瘤免疫。相关论文以“A Multifunctional Calcium Phosphate Nanoplatform Inducing Synergistic Copper/Calcium Overload and Antiangiogenesis for Enhanced Cancer Therapy”为题，发表在 ACS Nano！

图片解析

图1：展示了CaP/Cu-F的合成路线及表征。TEM和SEM显示纳米颗粒呈均匀球形；元素mapping和XPS证实Cu以混合价态存在；FTIR和UV-vis验证呋喹替尼成功负载；DLS显示粒径约150 nm，稳定性良好。

图2：验证了纳米平台的pH响应性和活性氧生成能力。TMB显色和HPF荧光表明，在酸性条件下CaP/Cu有效产生羟基自由基；DCFH检测证实总ROS生成；DTNB实验显示CaP/Cu显著消耗GSH；TEM观察和药物释放曲线证实pH响应性降解和药物释放。

图3：评估了纳米平台的细胞摄取和细胞内效应。CCK-8显示CaP/Cu在正常pH下对正常细胞和肿瘤细胞毒性较低，在模拟肿瘤微环境条件下毒性增强；CLSM显示时间依赖性细胞摄取；HPF和DCFH-DA染色证实细胞内ROS生成增加；Fluo-4 AM染色显示钙过载；JC-1染色显示线粒体膜电位下降。

图4：证实了铜死亡的诱导。ATP检测显示能量代谢受损；免疫荧光显示铜外排蛋白ATP7A下调，铜死亡标志物DLAT聚集和LIAS下调；CRT外翻和HMGB1释放增加，表明免疫原性细胞死亡激活。

图5：在4T1原位乳腺癌模型中验证了体内抗肿瘤效果。CaP/Cu-F组肿瘤体积最小，抑制率达80%以上；42天生存率100%；H&E染色显示肿瘤组织大面积坏死；免疫荧光证实DLAT聚集、CRT外翻和HMGB1释放。

图6：评估了抗血管生成和免疫激活效果。CD31染色显示血管密度降低90%以上；ICAM1表达上调；CD8⁺和CD4⁺ T细胞浸润显著增加；肺组织H&E染色显示转移灶几乎完全抑制。

结论

本研究成功开发了多功能磷酸钙纳米平台CaP/Cu-F，通过整合铜死亡诱导、钙过载和抗血管生成，实现了协同增强的癌症治疗效果。该平台通过双重GSH消耗机制破坏肿瘤氧化还原稳态，结合芬顿样反应产生ROS，与Ca²⁺释放协同诱导钙过载和线粒体功能障碍，导致ATP耗竭和铜外排蛋白下调，促进细胞内铜积累，最终触发铜死亡。铜死亡与钙过载的协同作用促进了DAMPs释放，增强了肿瘤免疫原性。同时，呋喹替尼介导的抗血管生成作用使肿瘤血管正常化，上调ICAM1表达，促进T细胞浸润，重塑肿瘤免疫微环境。该纳米平台在抑制肿瘤生长和转移方面表现出优异疗效，且具有良好的生物安全性，为癌症联合治疗提供了新策略。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c20888