第一作者：石万瑞
通讯作者：张皓 刘轶 聂志鸿 王永刚
通讯单位：吉林大学 复旦大学
研究速览
磷酸盐和膦酸盐药物对于构建生物体、调节生理过程至关重要，并表现出多种生物活性，包括抗病毒、抗菌、抗肿瘤和酶抑制作用。然而，由于缺乏先进的纳米工程技术，它们的治疗潜力受到限制。基于此，作者介绍了纳米工程磷酸盐/膦酸盐药物的竞争性协调策略。利用多酚和磷酸盐/膦酸盐与金属离子配位能力的差异，以金属酚网络 （MPNs） 为模板，以磷酸盐/膦酸盐药物为竞争剂构建了各种基于磷酸盐/膦酸盐的纳米药物。这些配位键的动态性质赋予纳米药物刺激反应性，允许靶向释放和治疗。作为概念验证，Fe3+ 和高良姜素 （galangin） 用于形成 MPN 模板，唑来膦酸 （zoledronic acid） 和 cGAMP 作为竞争剂，DOX 作为负载药物构建 DOX@Fe-galangin@Fe-zoledronic acid-cGAMP 纳米药物。结果表明，通过触发焦亡和激活 cGAS-STING 通路，纳米药物在根除原位乳腺肿瘤方面表现出强大的细胞毒性和精确的选择性，并激活针对肺和骨转移的抗肿瘤免疫反应。由于这一配位竞争策略适用于多种磷酸盐/膦酸盐药物，因此它在提高磷酸盐/膦酸盐药物的临床疗效和推进复杂治疗应用的纳米药物开发方面具有巨大潜力。
要点分析
要点一：竞争性配位策略：由于磷酸盐/膦酸盐与金属离子的配位能力比酚类化合物强，因此可以利用这一特性，通过添加磷酸盐/膦酸盐竞争剂来破坏 MPN 中的酚类配体与金属离子的配位键，从而构建出具有特定组成和刺激响应性的纳米药物。
要点二：DOX@Fe-Gal@Fe-Zol-cGAMP 纳米药物： 该研究以 Fe3+ 和高良姜素构建 MPN 模板，以唑来膦酸和 cGAMP 作为竞争剂，以 DOX 作为负载药物，构建了 DOX@Fe-Gal@Fe-Zol-cGAMP 纳米药物。
要点三：药物效果：体外实验表明该纳米药物具有优异的体外抗肿瘤活性，能够有效诱导细胞焦亡并激活 cGAS-STING 信号通路，从而杀死肿瘤细胞。同时，体内实验表明在原位 4T1 乳腺癌瘤模型中，该纳米药物能够有效抑制肿瘤生长，并激活抗肿瘤免疫反应，从而抑制肿瘤伴肺和骨转移。而且该纳米药物具有良好的生物安全性，在治疗过程中未观察到明显的系统性毒性。
图文导读
方案1. 磷酸盐/膦酸盐药物通过与MPNs竞争性配位的纳米工程示意图。多酚类：高良姜素、杨梅素、槲皮素、黄芩素、木犀草素、漆黄素、芹菜素、EGCG、紫草素等。磷酸盐/膦酸盐：唑来膦酸、ATP、ADP、AMP、cGAMP等。
图1. a） 预测 Fe3+ 与 3'-羟基黄酮、5'-羟基黄酮、3'，4'-二羟基黄酮以及唑来膦酸配位的 ΔG。ΔGexch 描述了多酚/唑来膦酸配体交换的能量学。b） Fe-Gal 的 TEM 图像。Fe-Gal@Fe-Zol 的 c） TEM 和 d） 元素映射图像。唑来膦酸/高良姜素的充电比为 3.25。Fe-Gal 和 Fe-Gal@Fe-Zol 的 e） 流体动力学直径和 zeta 电位，以及 f） 紫外-可见吸收光谱。（f）中的插图：FeCl3、高良姜素和 Fe-Gal 溶液的照片。g） 高良姜素、Fe-Gal、唑来膦酸和 Fe-Gal@Fe-Zol 的 FTIR 光谱。h） N2 吸附/脱吸等温线和 i） Fe-Gal@Fe-Zol 的孔径分布。j） 在不同电荷比下获得的 Fe-Gal@Fe-Zol 中 Fe、高良姜素和唑来膦酸的质量分数。所有比例尺均为 100 nm。
图2. a） 预测 Fe3+ 与高良姜素或唑来膦酸配位的 ΔG。ΔGexch 描述了高良姜素/唑来膦酸配体交换的能量学。b） Fe3+ 与高良姜素、唑来膦酸之间结合亲和力的 ITC 分析。c） 加入唑来膦酸后 Fe-Gal 的 QCM 监测的 Δf 曲线。d） Fe-Gal 和唑来膦酸之间竞争性配位的浓度依赖性动力学。e） 不同唑来膦酸浓度下的 t-50 曲线。f） 通过 MD 模拟获得的 Fe-Gal 自组装过程的快照。g） Fe-Gal 和唑来膦酸之间竞争性配位过程的快照。h） DOX@Fe-Gal@Fe-Zol-cGAMP 的 TEM 图像。比例尺为 100 nm。i）储存在不同 pH 值（6.5 和 7.4）的水中和含 10% FBS 的 RPMI 1640 培养基中 （n = 3） 的 DOX@Fe-Gal@Fe-Zol-cGAMP的流体动力学直径、PDI 和 zeta 电位的时间演变。数据显示为平均值± SD；n 表示生物学独立样本的数量。
图3. a） DOX@Fe-Gal@Fe-Zol-cGAMP 纳米药物诱导的免疫原性焦亡和 STING 激活的机制图。b） 4T1 细胞中 caspase-3、裂解的 caspase-3、GSDME-FL、GSDME-N 的蛋白质印迹测定。c） 不同处理后 4T1 细胞的 CLSM 图像（明场），白色箭头表示具有大气泡的焦亡细胞。比例尺为 50 μm。d） LDH、e） ATP 和 f） HMGB1 在不同处理后释放 4T1 细胞的水平 （d 中 n = 4，e 和 f 中 n = 3）。g） 不同处理后 4T1 细胞中 CRT 染色的平均荧光强度 （MFI） 值 （n = 3）。h） 不同孵育时 4T1 细胞的 IFN-β 分泌水平 （n = 4）。BMDCs 的 i） IFN-β、j） TNF-α 和 k） IFN-γ分泌水平 （j 和 k 中 n = 3，i 中 n = 4）。l） CD11c+CD80+CD86+BMDCs 体外刺激成熟实验的代表性流式细胞术图。m） 体外刺激极化实验中 F40/80+ 和 CD11b+ 门控 BMDMs 群体中CD86+ M1 巨噬细胞的代表性流式细胞术图。组：（I） 对照，（II） Fe-Gal，（III） Fe-Gal@Fe-cGAMP，（IV） Fe-Gal@Fe-Zol，（V） Fe-Gal@Fe-Zol-cGAMP，（VI） DOX@Fe-Gal@Fe-Zol-cGAMP。数据显示为平均值± SD；n 表示生物学独立样本的数量。*p < 0.05，**p < 0.01和***p < 0.001。
图4. RNA 测序分析。a） 每组中所有表达基因的Venn图。b） DOX@Fe-Gal@Fe-Zol-cGAMP 处理后差异表达基因分布的火山图 （|log2 (Fold Change)| > 1 和 p-value < 0.05）。c） 来自 STRING 数据库的蛋白质-蛋白质相互作用网络。d） 对击中 DNA 修复、I 型干扰素产生、胞质 DNA 感应通路和 NOD 样受体信号通路基因集的差异表达基因进行 GSEA 分析。参与 e） cGAS-STING 通路和 f） 细胞焦亡的基因 mRNA 表达水平的热图分析。
结论
总之，该研究通过竞争性配位策略展示了磷酸盐/膦酸盐药物的纳米工程。通过利用多酚和磷酸盐/膦酸盐与金属离子配位能力的差异，可以将具有不同生物活性和分子结构的磷酸盐/膦酸盐整合到具有定制成分的纳米药物中。这种纳米工程方法不仅在不影响其生物活性的情况下提高了磷酸盐/膦酸盐的生物相容性和生物利用度，而且还使它们在病理微环境中能够刺激响应性释放。遵循这种竞争协调策略，作者开发了 DOX@Fe-Gal@Fe-Zol-cGAMP 纳米药物。配位键的动态性质赋予这些纳米药物在肿瘤微环境中靶向释放和治疗的理想 GSH 反应性。体外和体内研究表明，通过触发焦亡和激活 cGAS-STING 通路，作者开发的纳米药物在根除原位乳腺肿瘤方面表现出强大的细胞毒性和精确的选择性。此外，它们还激活针对肺和骨转移的抗肿瘤免疫反应。由于该研究的竞争协调策略适用于各种磷酸盐/膦酸盐药物，因此它在促进磷酸盐/膦酸盐药物的临床疗效和推进复杂治疗应用的纳米药物开发方面具有巨大潜力。
全文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202413201
参考文献：Nanoengineering of Phosphate/Phosphonate Drugs via Competitive Replacement with Metal-Phenolic Networks to Overcome Breast Tumor with Lung and Bone Metastasis. Wanrui Shi, Dashuai Liu, Wenjie Feng, Yang Chen, Yonggang Wang, Zhihong Nie, Yi Liu, Hao Zhang. Advanced Science. 2024, DOI: 10.1002/advs.202413201.
投稿联系：kangjunkejiquan@163.com.
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