Zinc oxide nanosphere for hydrogen sulfide scavenging and ferroptosis of colorectal cancer

用于結(jié)直腸癌硫化氫清除和鐵死亡的氧化鋅納米球

來源：Pan et al. Journal of Nanobiotechnology (2021) 19:392

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

本研究開發(fā)了一種硫化氫（H?S）響應(yīng)型納米平臺(tái)（VZnO），通過清除結(jié)直腸癌（CRC）中高表達(dá)的H?S誘導(dǎo)癌細(xì)胞鐵死亡。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：

 

H?S在CRC中特異性高表達(dá)：臨床樣本和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)CRC組織H?S濃度顯著高于正常組織（圖1A-C）。

 

 

 

VZnO的構(gòu)建與功能：以病毒樣介孔二氧化硅（VMSN）為載體的氧化鋅納米球（圖2A-D），通過反應(yīng) ZnO+HX2S

 

ZnS+HX2O高效清除H?S（圖2E,H）。

 

 

鐵死亡機(jī)制：H?S清除導(dǎo)致谷胱甘肽（GSH）耗竭（圖3A），激活脂質(zhì)過氧化和線粒體損傷（圖3C-E），最終誘導(dǎo)鐵死亡（圖3G）。

 

 

 

靶向性與安全性：VZnO選擇性殺傷CRC細(xì)胞（CT26/HCT116），對(duì)H?S低表達(dá)的乳腺癌（4T1）無效（圖5J）；體內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示低毒性（圖4F-G）。

 

 

 

 

2. 研究目的

 

驗(yàn)證H?S在CRC中的特異性高表達(dá)及其促癌作用；

 

開發(fā)靶向清除H?S的納米平臺(tái)（VZnO）；

 

闡明H?S清除誘導(dǎo)鐵死亡的分子機(jī)制；

 

評(píng)估VZnO的體內(nèi)靶向性和生物安全性。

 

3. 研究思路

 

臨床問題→納米設(shè)計(jì)→機(jī)制驗(yàn)證→體內(nèi)應(yīng)用：

 

臨床樣本分析：通過Unisense H?S微傳感器檢測(cè)CRC患者組織中H?S濃度（圖1A-F）。

 

納米平臺(tái)構(gòu)建：合成病毒樣SiO?載體（VMSN），表面負(fù)載ZnO形成VZnO（Scheme 1, 圖2A-D）。

 

 

體外機(jī)制驗(yàn)證：

 

H?S清除導(dǎo)致GSH耗竭（圖3A）和ROS升高（圖3C）；

 

鐵死亡特征：脂質(zhì)過氧化（圖3D）、線粒體嵴消失（圖3E）、GPX4下調(diào)（圖3G）。

 

體內(nèi)療效評(píng)估：

 

靶向富集：VZnO@FITC在CRC原位瘤特異性蓄積（圖4A-E）；

 

抑瘤效果：顯著抑制CT26原位瘤生長（圖5A-D），但對(duì)4T1乳腺癌無效（圖5J）。

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

（1）H?S在CRC中的高表達(dá)（圖1）

 

數(shù)據(jù)：

 

CRC患者組織H?S濃度↑2.5倍（vs. 正常組織，p<0.05）（圖1A）；

 

CRC細(xì)胞（HCT116/CT26）H?S水平顯著高于非CRC細(xì)胞（4T1/SKOV3）（圖1B）；

 

CBS酶（H?S合成關(guān)鍵酶）在CRC中高表達(dá)（圖1D-F）。

 

意義：確立H?S作為CRC治療靶點(diǎn)，為VZnO設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

 

（2）VZnO的H?S清除能力（圖2）

 

數(shù)據(jù)：

 

VZnO與H?S反應(yīng)后，XRD譜中ZnO峰消失，ZnS峰出現(xiàn)（圖2E）；

 

UV-vis顯示反應(yīng)后吸收增強(qiáng)（350 nm）（圖2H）。

 

意義：證實(shí)VZnO通過化學(xué)轉(zhuǎn)化高效清除H?S，為后續(xù)抑瘤機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

 

（3）鐵死亡激活（圖3）

 

數(shù)據(jù)：

 

GSH水平↓40%（HCT116）和↓35%（CT26）（圖3A）；

 

ROS↑2.1倍（DCFH-DA檢測(cè)）（圖3C）；

 

脂質(zhì)過氧化↑（C11-BODIPY熒光增強(qiáng)）（圖3D）；

 

線粒體嵴斷裂/消失（TEM）（圖3E）；

 

GPX4↓60%，COX2/NOX1/TFR1↑（圖3G）。

 

意義：首次將H?S清除與鐵死亡關(guān)聯(lián)，揭示GSH耗竭是關(guān)鍵樞紐。

 

（4）體內(nèi)靶向與療效（圖4-5）

 

數(shù)據(jù)：

 

VZnO@FITC在CRC瘤內(nèi)富集（4h達(dá)峰）（圖4A-C）；

 

VZnO+鐵葡聚糖（ID）使原位瘤體積↓70%（vs. PBS組）（圖5C-D）；

 

腫瘤組織GPX4↓、H?S濃度↓80%（圖5H-I）。

 

意義：證實(shí)VZnO的CRC靶向性和鐵死亡激活的體內(nèi)可行性。

 

5. 核心結(jié)論

 

H?S是CRC特異性靶點(diǎn)：臨床樣本及細(xì)胞模型均證實(shí)其高表達(dá)。

 

VZnO高效清除H?S：通過ZnO+H?S→ZnS反應(yīng)消耗H?S，降低腫瘤內(nèi)H?S濃度。

 

鐵死亡是核心機(jī)制：H?S清除→GSH耗竭→GPX4失活→脂質(zhì)過氧化累積→鐵死亡。

 

靶向性與安全性：VZnO選擇性殺傷CRC細(xì)胞，對(duì)正常組織毒性低。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

 

技術(shù)應(yīng)用與數(shù)據(jù)：

 

功能：采用Unisense H?S微傳感器（Model H?S-MRCh）定量檢測(cè)：

 

臨床樣本：CRC vs. 正常組織H?S濃度（圖1A-C）；

 

細(xì)胞模型：CRC細(xì)胞（HCT116/CT26）vs. 非CRC細(xì)胞（4T1/MCF-10A）H?S水平（圖1B）；

 

體內(nèi)動(dòng)態(tài)：治療后腫瘤內(nèi)H?S下降80%（圖5I）。

 

檢測(cè)原理：安培法（amperometric）結(jié)合微電極技術(shù)，直接測(cè)量溶解H?S濃度。

 

科學(xué)價(jià)值：

 

高靈敏度與特異性：

 

微米級(jí)探針（<10 μm）實(shí)現(xiàn)組織微區(qū)H?S定量，避免傳統(tǒng)生化法的樣本破壞。

 

臨床驗(yàn)證：首次精準(zhǔn)量化人CRC組織H?S梯度（圖1A），確立其作為生物標(biāo)志物。

 

機(jī)制解析關(guān)鍵：

 

證實(shí)CBS抑制劑（AOAA）降低H?S后抑制CRC生長（圖1G-I），反向驗(yàn)證H?S的促癌作用；

 

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)VZnO治療后腫瘤H?S持續(xù)下降（圖5G），直接關(guān)聯(lián)療效與H?S清除效率。

 

轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)價(jià)值：

 

為CRC診斷提供潛在工具：H?S濃度可區(qū)分癌/正常組織（AUC>0.9）；

 

指導(dǎo)納米藥物設(shè)計(jì)：Unisense數(shù)據(jù)驗(yàn)證VZnO的H?S清除效率（圖2E,H）。

 

領(lǐng)域貢獻(xiàn)：

 

確立H?S作為CRC治療靶點(diǎn)的臨床證據(jù)鏈（從樣本到機(jī)制）；

 

推動(dòng)微傳感器技術(shù)在腫瘤代謝研究中的應(yīng)用，為精準(zhǔn)納米醫(yī)學(xué)提供數(shù)據(jù)支撐。

 

機(jī)制示意圖：

 

CRC微環(huán)境H?S↑ → VZnO靶向富集 → ZnO + H?S → ZnS  

→ GSH合成受阻 → GPX4活性↓ → 脂質(zhì)ROS累積  

→ 線粒體損傷（嵴斷裂） → 鐵死亡

 

創(chuàng)新點(diǎn)：首次將工業(yè)脫硫材料ZnO轉(zhuǎn)化為腫瘤靶向納米藥物，開辟“代謝清除-鐵死亡”聯(lián)動(dòng)的CRC治療新范式。