A supramolecular pyroptosis nanogenerator based on non- covalent interactions for cancer immunotherapy

癌症免疫疗法是一个致力于教导人体自身的防御系统去识别并摧毁恶性细胞的领域。多年来，科学家们一直在寻找一种能够触发特定类型细胞死亡的方法，这种死亡不仅仅是消除肿瘤，更希望这种死亡能向免疫系统发出“警报”。这种警报被称为焦亡（pyroptosis）。与几乎不引起任何动静的安静细胞死亡不同，焦亡是一种具有高度炎症性的过程。当一个细胞发生焦亡时，它会破裂开来，释放出化学信号，从而招募免疫士兵前往感染或疾病发生的现场。挑战在于，如何找到一种可靠的方法来触发这种特定的细胞爆裂，而不伤害健康组织，尤其是因为许多癌细胞已经学会了隐藏进行这一过程所需的机制。

浙江工业大学及其他机构的研究团队开发了一种新方法来解决这一问题。他们设计了一个微小的分子机器，旨在将三种不同的组分直接递送到肿瘤中，并强迫癌细胞以一种能够向免疫系统发出警报的方式发生爆炸。这个机器并非通过永久性的化学键将部件粘合在一起，而是利用一系列非永久性的连接，在到达目标之前将各个部分固定在一起。研究人员称之为超分子纳米发生器（supramolecular nanogenerator）。它的任务是携带钙过载诱导剂、一种使细胞对压力敏感的药物，以及一种用于移除阻止细胞以期望方式死亡的遗传“锁”的分子。

这项发明的核心是一个巧妙的分子组装体，它们像锁和钥匙系统一样协同工作，但没有单一固体结构的僵硬感。研究人员从一种被称为β-环糊精（beta-cyclodextrin）的环状分子开始，这种分子有一个能够容纳其他分子的中空中心。他们在环上附着了一种特殊的“分子胶水”。这种胶水有两个截然不同的端点：一端紧密契合在环内，另一端则被设计用来抓取一种名为地西他滨（decitabine）的特定药物。这种药物本身极不稳定，在体内会迅速分解，但胶水能使其保持稳定。与此同时，环的中空中心填充了另一种通常难以溶于水的药物——姜黄素（curcumin）。通过将这两种药物捕捉在环内，研究人员确保了它们在到达肿瘤之前能够共同旅行并保持稳定。

为了完成这台机器，团队添加了第三层，作为保护壳和触发器。他们使用了一种带有负电荷的聚合物链来吸引并结合钙离子。这些钙离子随后成为构建围绕整个结构的碳酸钙壳的基础。这个矿物壳至关重要，因为它在血液中呈中性环境时保持稳定，但在遇到肿瘤内部以及被称为溶酶体（lysosomes）的微小细胞区室中的酸性条件时会迅速溶解。这意味着该机器在体内旅行时保持完整，但一旦被癌细胞“吞噬”，酸性环境就会导致外壳崩塌，从而一次性释放所有三个组分。

当机器在癌细胞内解体时，它会引发一场连锁反应。释放出的钙离子会涌入细胞，造成过载，从而破坏被称为线粒体（mitochondria）的细胞能量工厂。这种损伤会导致有害的活性氧（reactive oxygen species）激增，进而激活一种名为caspase-3的蛋白质。通常，这种蛋白质会导致一种安静的细胞死亡形式——凋亡（apoptosis）。然而，研究人员加入了第二种机制来改变结果。释放出的地西体滨的作用是移除DNA上沉默GSDME基因的化学标签。在许多癌细胞中，这个基因是被关闭的，从而阻止了焦亡。通过重新开启这个基因，地西他滨确保了当caspase-3被激活时，它会切割GSDME蛋白，导致细胞膜破裂，使细胞爆裂。

研究人员在患有乳腺癌的小鼠身上测试了这种双重作用策略的结果。研究人员发现，纳米发生器成功地在肿瘤中聚集并释放了其载荷。在接受治疗的小鼠中，癌细胞发生了焦亡，破裂并释放信号以吸引免疫细胞。具体而言，该治疗增加了细胞毒性T细胞（即免疫系统的主要杀手）的数量，同时减少了通常抑制免疫反应的调节性T细胞的数量。接受治疗的小鼠体内的肿瘤比对照组显著缩小。此外，当纳米发生器与标准的免疫检查点疗法结合使用时，它几乎消除了转移到肺部的转移性肿瘤，且小鼠存活时间更长，未表现出毒性迹象。

该研究表明，通过使用精确的非永久性分子相互作用，可以递送原本互不兼容的复杂药物组合。该系统克服了药物不稳定性的问题，并确保释放仅发生在需要的地方。研究人员通过测量特定蛋白质的释放并观察免疫反应，证实了该机器的工作原理，展示了该方法有效地将“冷”肿瘤（即忽略免疫系统的肿瘤）转化为正在遭受积极攻击的“热”肿瘤。这项工作为设计不仅能杀死肿瘤细胞，还能训练身体更有效地对抗疾病的癌症治疗方案提供了新的蓝图。