四川大学华西医院乳腺健康研究院/超声医学科团队于2024年6月在Chemical Engineering Journal发表文章“Boosting TNBC immune checkpoint blockade with an imaging-therapy coupled ozone delivery nano system”（点击二维码阅读原文）。本研究开发了一种包载臭氧的中空锰钛MOF，利用锰离子实现肿瘤MRI成像以定位肿瘤，利用超声激发嵌合TiO2的锰基MOF实现声动力治疗，利用全氟己烷实现超声造影监测治疗效果，结合PD-1阻断，增敏TNBC免疫治疗，实现TNBC诊疗一体化。
三阴乳腺癌（triple-negative breast cancer, TNBC）因缺乏特异性抗原暴露，其免疫检查点抑制（immune checkpoint blockade, ICB）疗法响应率低[1]。声动力治疗（sonodynamic therapy, SDT）以声能激发声敏剂产生活性氧（reactive oxygen species, ROS），引发肿瘤的炎性死亡，是极具潜力的免疫治疗联合方案，但肿瘤微环境缺氧及声敏剂效能不足严重影响其疗效[2]。寻找新一类SDT反应底物是解决该问题的突破口之一。此外，提高TiO2的催化效率是提高SDT治疗效果的关键。
臭氧（ozone，O3）是氧的三原子同素异形体，本团队前期研究已证实以纳米递送系统向机体输送O3安全可行，且O3能够作为反应底物在放疗射线及微波作用下生成羟基自由基[3]。本研究推测，O3是SDT生成ROS的绝佳底物，O3不仅能够为SDT提供反应原料，其反应产物ROS杀伤细胞的同时，副产物氧气还能保持反应持续进行，并且改善微环境的缺氧状态。
多相光催化氧化是一种具有成本效益和环境友好性的方法[4, 5]。其中声敏剂TiO2也作为经典的光催化剂常在UV的作用下催化O3生成包括羟基自由基在内的多种ROS以降解环境中的有机污染物。受此启发，本团队依据其原理推测超声能够激发TiO2催化O3反应为多种ROS。近期研究表明，金属-TiO2嵌合结构为载流子重新分布创造了条件：电子从具有高费米的TiO2流向低费米能级的过渡金属形成微电池，促进超声激发的e--h+有效分离，一定程度上避免了O3与TiO2反应形成氧化壳层，从而提高其催化性能。
本研究提出一种中空锰基金属有机框架（Mn-MOF）掺杂TiO2包载全氟己烷吸附O3的纳米平台ZSMTO（图1），以中空MOF结构装载全氟己烷吸附O3解决肿瘤微环境缺氧、声敏剂反应底物不足的问题，以Mn-MOF嵌合TiO2延长e--h+分离时间提高TiO2催化效率。在超声激发下，全氟己烷气化释放O3，超声同时催化嵌合TiO2的Mn-MOF发挥声动力治疗效应，以O3为底物反应产生大量单线态氧及羟基自由基，触发肿瘤细胞凋亡及免疫原性死亡（immunogenic cell death, ICD），联合免疫抑制剂anti-PD-1以系统性治疗TNBC。诊疗过程中，O3将锰离子氧化为更高价态，实现高对比度肿瘤MRI T1成像以定位肿瘤及观测治疗程度，利用全氟己烷气化阶段实现超声造影（CEUS）监测O3释放程度及治疗效果，达到TNBC诊疗一体化的目的。最后运用群体转录组测序及多色免疫组化染色技术对肿瘤免疫浸润程度进行解析。
图1 本研究设计概览。a. ZSMTO合成路径。b. ZSMTO实现超声造影成像。c. ZSMTO实现T1 MRI成像。d. ZSMTO杀伤细胞机制图。e. 生信分析验证ZSMTO杀伤肿瘤机制
本团队成功合成了ZSMTO（图2A，2B），细胞实验验证了超声激发的ZSMTO产生大量ROS使细胞发生凋亡的同时，还诱导肿瘤细胞发生CRT膜外翻，ATP外漏及HMGB1外泌等事件，标志细胞发生ICD（图2C～2E）。
图2 ZSMTO结构及其细胞杀伤功能研究
动物实验结果表明，基于ZSMTO成功实现TNBC的CEUS/MRI治疗全程监测（图3A，3B），超声激发的ZSMTO联合anti-PD-1有效抑制了TNBC皮下瘤及远隔肿瘤的生长，并大幅增加改善TNBC实体瘤免疫浸润程度，其中CD4+及CD8+ T细胞浸润程度大幅升高（图3C）。
图3 超声激发的ZSMTO联合anti-PD-1可视化诊疗TNBC
专家点评
黄鹏教授：“诊疗一体化”策略在近年来的科研探索中取得了显著进展，尤其是在纳米医学、医学影像学和智能药物递送等领域。通过功能化的纳米平台，如金属有机框架（MOFs）等，研究者可以将疾病的诊断和治疗功能有机地结合在一起，借助多模态医学影像技术，实现影像指导的治疗，以及疗效的监测等。在最近的研究中，该团队创性地引入了臭氧作为声动力治疗的活性介质，构建了基于锰基金属有机框架掺杂TiO2（Mn-MOF）的臭氧催化系统。该系统不仅能够高效催化臭氧产生丰富的活性氧（ROS）以杀灭肿瘤细胞，还同步实现了在三阴乳腺癌（TNBC）动物模型中的超声与磁共振多模态成像，为“诊疗一体化”评估提供了全新视角。这一创新不仅为TNBC的免疫治疗开辟了联合治疗的新途径，也为臭氧在生物体内的创新应用探索了可行性。
黄鹏，深圳大学特聘教授，博导，国家海外高层次人才。现任深圳大学医学部副主任/医学院副院长、马歇尔生物医学工程实验室执行主任、分子影像系主任。兼任中国抗癌协会纳米肿瘤学专业委员会常委兼青委会主任委员，中国生物物理学会分子影像学分会常务委员等。主要从事分子影像学和纳米医学方面研究，发表SCI论文280余篇，包括Nat Biomed Eng、Nat Nanotechnol、Nat Commun、Sci Adv、Angew Chem、Int Ed、Adv Mater 等，31篇入选期刊封面文章，28篇入选1%ESI高被引论文，论文引用超33 000次。获授权中国发明专利38项。连续四年入选科睿唯安“全球高被引科学家”。
作者心得
本研究希望基于前序研究“微波控释臭氧释放增敏TNBC的免疫治疗”及“体内臭氧纳米递送系统增敏TNBC放疗及免疫治疗”开发诊疗一体化的ROS炸弹。超声催化经典声敏剂是极具潜力的产ROS模型。我们对“如何把臭氧和声敏剂结合”这个问题进行了大量金属基团、纳米系统结构、有机/无机声敏剂应用的摸索，先后设计了包括Cu、Fe等多种实心金属MOF掺杂TiO2纳米递送系统、Fe、Mg基团的卟啉MOF纳米递送系统等，最后发现如何隔开臭氧及MOF是关键性问题。此外，虽然MOF具备大量孔隙，但利用实心MOF的孔隙装载全氟化碳是不现实的。于是我们开始探索空心MOF的合成，并对MOF的金属节点以臭氧自发反应性、产ROS效率、成像功能为评判条件从多种过渡金属及贵金属中进行筛选，最后得到我们课题中的ZSMTO纳米递送系统。
作为临床医学生，纳米平台的合成及对合成过程中理化性质的表征解读是一个难题，我们对此进行了大量的学习及文献阅读，在多次失败的合成后最终得到了满意的ZSMTO的透射电镜图及元素mapping图，并对ZSMTO的理化特征进行了一一解读，突破了心中自设的学科门槛及自身局限。
通信作者
石虎兵，教授，博士生导师，四川大学华西医院乳腺健康医学研究院副院长。清华大学分子生物学与生物化学博士；后在美国加州大学洛杉矶分校从事肿瘤分子靶向治疗耐药性机理以及肿瘤免疫治疗研究。国家“十三五”重点研发计划“精准医学研究”项目负责人（首席科学家）；国家高层次青年人才计划，四川省卫健委领军人才。共发表研究论文50余篇，影响因子1 000，被引用10 000余次，撰写专著2项，以第一或通讯作者在Nature、Cell、Cancer Discov、Cancer Cell、Nat Biomed Eng、 Blood、Adv Funct Mater、Genome Res等期刊发表论文二十余篇。
共同通信作者
彭玉兰，博士生导师，四川大学华西医院超声医学学科主任。国家卫健委两癌筛查乳腺癌筛查超声技术培训专家，四川省卫健委两癌筛查专家，四川省卫健委学术技术带头人。长期致力于乳腺癌的影像、临床及基础研究。研究方向涵盖数据挖掘、数据结构化和标准化、乳腺超声图像人工智能CAD研究，以及乳腺癌基础研究。研究期间通过NLP等技术构建乳腺超声-病理专病数据库，包含2002-2022年累计百万数据。获得8项计算机软件著作权，申报受理2项发明专利，获批2项专利。主持国家级和省部级等科研课题14项，主持教学课题5项，发表中英文论文100余篇。
共同通信作者
敬静，主任医师、教授，博士生导师，四川大学华西医院乳腺健康医学研究院院长。国家科技重大专项项目负责人（首席科学家）、国家临床重点专科建设项目-乳腺恶性肿瘤多学科精准诊疗平台负责人，中华医学会乳腺肿瘤学分会乳腺肿瘤学组副组长、中国抗癌协会乳腺癌整合防筛专委会主委、中国抗癌协会乳腺癌整合专委会副主委，四川省医学会副会长、四川省医师协会副会长、四川省医学科技创新研究会名誉会长，四川省学术和技术带头人、四川省科学技术奖评审专家。先后主持国家级、省部级等项目课题 20 余项，累计科研经费超 4千万元。近三年以第一或通讯作者发表高质量SCI 论文17篇，累积影响因子237。
第一作者
宋琳琳，四川大学华西临床医学院超声医学科在读博士，主要课题方向涉及乳腺癌的新兴可视化治疗方式开发及其机制研究。以第一作者/共一作者在Chem Eng J、J Controlled Release、Nano Today 等期刊发表SCI 8篇。申请发明专利4项，授权2项。
共同第一作者
刘智慧，四川大学华西医院生物治疗全国重点实验室在读硕士。主要研究方向为利用新型药物递送技术解决未满足临床需求。以第一作者/共一作者在Chem Eng J、Front Immunol 期刊发表SCI 2篇。
共同第一作者
何秀静，助理研究员，现就职于四川大学华西医院乳腺健康医学研究院，主要研究方向为生物信息学，主持国家自然科学基金青年基金项目一项，四川省自然科学基金项目一项，以第一/共一/通讯作者在Semin Cancer Biol、Br J Dermatol 等期刊发表SCI论文13篇，发明专利授权1项。
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编辑：党 纯
排版：张洪雪
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华西期刊社简介
四川大学华西医院华西期刊社成立于2006年，出版有14种医学科技期刊（9种中文和5种英文），其中SCI收录期刊2种，ESCI收录期刊2种，EI收录期刊1种、MEDLINE收录期刊4种、CSCD收录期刊7种、北大中文核心期刊要目总览收录期刊5种。华西期刊屡获“中国出版政府奖期刊奖”、“中国百种杰出学术期刊”、“中国精品科技期刊”、“中国最具国际影响力学术期刊”等殊荣。1种期刊入选“中国科技期刊卓越行动计划——领军期刊”项目，2种期刊入选“中国科技期刊国际影响力提升计划——D类（现：中国科技期刊卓越行动计划——高起点新刊）”项目。在国家双一流建设背景下华西期刊社加快推进英文期刊建设，目前已与Nature、Wiley-Blackwell、Oxford University Press、BMC等国际一流出版集团建立了合作关系。
