西安交大ACS Nano：锌/铜双能量耗竭剂协同诱导铜死亡与焦亡增强肿瘤免疫治疗

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背景介绍

肿瘤细胞的无限增殖依赖于其异常活跃的能量代谢——即著名的“Warburg效应”，即使在有氧条件下也优先通过糖酵解获取能量并产生大量乳酸。靶向肿瘤能量代谢已成为抗癌治疗的重要策略。近年来，金属离子干扰疗法通过破坏离子稳态来激活免疫反应展现出潜力，但其深层分子机制尚不明确。特别是，如何将能量代谢抑制与特定的程序性细胞死亡通路（如铜死亡、焦亡）相耦合，进而激活系统性抗肿瘤免疫，是该领域亟待突破的关键科学问题。

研究思路

为解决上述问题，西安交通大学第一附属医院肿瘤内科锁爱莉教授团队与西安交通大学材料科学与工程学院钱军民教授团队联合提出了一种创新的“双能量耗竭”策略。他们设计了一种酰肼化透明质酸修饰的锌/铜双金属离子干扰剂（Zn/Cu disruptor）。在肿瘤微环境中，该纳米平台被肿瘤细胞内化后，释放出Zn²⁺和Cu²⁺。其中，Zn²⁺作为代谢抑制剂，通过直接抑制乳酸脱氢酶（LDH）活性和下调PI3K/Akt/HIF-1α信号轴，阻断糖酵解过程，从而减少乳酸输出并限制三磷酸腺苷（ATP）生成；与此同时，Cu²⁺通过线粒体蛋白毒性和脂酰化蛋白聚集触发铜死亡，阻断丙酮酸进入三羧酸循环（TCA循环），进一步加剧能量耗竭。这种代谢崩溃形成了一个精密的级联机制：糖酵解抑制使肿瘤细胞对铜死亡应激更为敏感，而铜死亡又进一步强化焦亡（pyroptosis）的激活。最终，离子过载、严重能量缺乏以及随之而来的氧化应激协同放大焦亡驱动的炎性细胞因子释放，建立起一种金属离子诱导的免疫原性细胞死亡（ICD）通路。体外实验证实该干扰剂可诱发氧化应激、线粒体功能障碍和炎症反应；体内研究表明其能有效抑制原发瘤和远端瘤生长，并激活系统性免疫。相关内容以Dual Energy Depletion by Zinc/Copper Disruptor to Potentiate Cuproptosis and Pyroptosis for Enhanced Tumor Immunotherapy为题，发表在上ACS Nano。

图片解析

系统展示了锌/铜双金属干扰剂的核心机制——Zn²⁺抑制糖酵解（抑制LDH活性、下调PI3K/Akt/HIF-1α轴），Cu²⁺触发铜死亡（线粒体蛋白毒性、脂酰化蛋白聚集），两者共同导致能量耗竭，进而激活焦亡和抗肿瘤免疫。

Figure 1. 材料合成与表征：展示锌/铜双金属离子干扰剂的合成路线示意图。透射电子显微镜（TEM）图像显示该纳米粒子呈均匀球形形貌，粒径分布图表明其尺寸均一。动态光散射（DLS）测定Zeta电位，证实纳米粒子的表面电荷特性。此外，还展示了Zn²⁺和Cu²⁺在不同pH条件下的体外释放曲线，表明该纳米平台在肿瘤微环境（酸性pH）中具有响应性离子释放行为。

Figure 2. 体外细胞摄取与亚细胞定位：通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）显示肿瘤细胞对该纳米粒子的时间依赖性摄取效率。利用特异性荧光探针标记Zn²⁺和Cu²⁺，追踪两种离子在细胞内的分布情况，并利用线粒体荧光探针进行共定位分析，结果显示Zn²⁺和Cu²⁺均有效富集于线粒体，为后续线粒体功能障碍和能量代谢干扰奠定了基础。

Figure 3. 糖酵解抑制与能量代谢干扰：Western blot分析显示Zn²⁺处理组中PI3K/Akt/HIF-1α信号通路蛋白表达水平显著下调。酶活性检测表明乳酸脱氢酶（LDH）活性受到明显抑制。同时，细胞内ATP含量和乳酸产量均显著降低。这些结果共同证明Zn²⁺成功阻断了肿瘤细胞的糖酵解代谢通路。

Figure 4. 铜死亡与线粒体功能障碍：免疫荧光染色和Western blot检测显示，Cu²⁺处理组中脂酰化蛋白（如DLAT）发生异常聚集，这是铜死亡的典型特征。JC-1染色实验显示线粒体膜电位显著下降，表明线粒体功能严重受损。此外，检测到三羧酸循环中间代谢物的含量变化，证实Cu²⁺有效阻断了丙酮酸进入TCA循环的代谢通量。

Figure 5. 焦亡激活与免疫原性细胞死亡：Western blot检测显示焦亡相关蛋白GSDME发生特异性切割活化，Caspase-1也被激活。免疫荧光染色显示细胞膜表面钙网蛋白（CRT）发生显著暴露，这是免疫原性细胞死亡（ICD）的关键“吃我”信号。同时，ELISA检测显示高迁移率族蛋白B1（HMGB1）和ATP被释放到细胞外环境中。这些结果证实锌/铜干扰剂成功诱导了焦亡和ICD，将“冷肿瘤”转变为“热肿瘤”。

Figure 6. 体内抗肿瘤效果：在荷瘤小鼠模型中，锌/铜干扰剂治疗组原发瘤的生长曲线显著受到抑制，肿瘤重量明显减轻。代表性肿瘤照片直观展示了治疗效果。更重要的是，在远端未治疗肿瘤中也观察到了显著的生长抑制作用，表明该疗法成功激活了系统性抗肿瘤免疫应答。

Figure 7. 体内免疫激活评估：通过流式细胞术分析肿瘤微环境中免疫细胞群体的变化。结果显示，锌/铜干扰剂治疗组中成熟树突状细胞（mDC）的比例显著增加，细胞毒性T淋巴细胞（CTL，CD8⁺ T细胞）的浸润数量明显上升，而免疫抑制性调节性T细胞（Treg）的比例则相对下降。此外，脾脏中效应记忆T细胞的比例也有所增加，进一步证实了系统性免疫记忆的建立。

Figure 8. 生物安全性评价：通过H&E染色观察主要器官（心、肝、脾、肺、肾）的组织切片，未见明显病理损伤。血常规和血清生化指标检测结果与对照组相比无显著差异。此外，小鼠体重变化曲线显示治疗组与对照组之间无显著差异。这些结果共同证实了锌/铜干扰剂具有良好的体内生物安全性和低系统性毒性。

结论

本研究首次揭示了锌/铜双金属干扰剂通过“双重能量耗竭”机制协同诱导铜死亡与焦亡，进而激活系统性抗肿瘤免疫的创新策略。与传统的单一离子干扰疗法不同，该策略通过Zn²⁺阻断糖酵解、Cu²⁺阻断三羧酸循环，实现了对肿瘤能量代谢的全方位打击。这种代谢崩溃不仅直接杀伤肿瘤细胞，还通过焦亡途径释放炎性细胞因子和免疫原性死亡信号，将“冷肿瘤”转变为“热肿瘤”，激活系统性抗肿瘤免疫。该研究为金属基纳米药物在肿瘤免疫治疗中的应用提供了新的分子机制见解和设计思路，架起了金属离子疗法与免疫治疗之间的桥梁。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c14922