项目文章 | 上海交大凌代舜/李方园团队发现肿瘤特异性代谢治疗
研究背景
新陈代谢紊乱与癌症、糖尿病和心血管疾病等一系列难以治愈的疾病有关。在肿瘤微环境中的代谢情况，是选择癌症疗法的重要途径。现有的代谢疗法一般都缺乏肿瘤细胞特异性，其治疗效率往往受到不可预见的脱靶效应和持续时间短的限制。
酶在协调TME内的新陈代谢转变方面发挥着关键作用，能将底物快速连续转化为产物，表现出良好的靶标特异性。类似酶的纳米催化剂可模拟多种天然酶，包括氧化还原酶、水解酶、裂解酶等。目前，制造具有类似多金属代谢酶特性的合成纳米酶是一项艰巨的挑战。作者的灵感来自于黄嘌呤氧化还原酶（XOR），它将黄嘌呤转化为尿酸（UA），其特点是具有铁和四面体钼的结构。XOR与各种癌症的不良预后有关，对炎症反应有重要影响。某些黄嘌呤衍生物的免疫抑制特性和尿酸在增强抗肿瘤免疫力方面的显著作用都显示出XOR的关键意义。
2024年8月5日，上海交通大学胡希博士（现为安徽中医药大学教授、博导）、张博博士，以及硕士研究生张淼和梁文诗是共同第一作者，上海交通大学凌代舜教授和李方园研究员担任共同通讯作者在《Nature Nanotechnology》（IF 38.1）发表题为“An artificial metabzyme for tumour-cell-specific metabolic therapy”的研究论文。作者报告了首个模拟黄嘌呤氧化还原酶（xanthine oxidoreductase，XOR）中铁和四面体钼原子构象的FeMoO4生命催化剂，称为“人工代谢酶”。利用空间代谢组学和肿瘤相关代谢物的分析，作者证明了FeMoO4人工代谢酶催化了肿瘤中大量黄嘌呤向尿酸的代谢转化，促进了肿瘤细胞间代谢与免疫系统的相互作用，从而引发免疫细胞对肿瘤细胞的协同攻击。作者创新性的为癌症治疗构建了一种新模式，即通过人工代谢酶干预肿瘤细胞进行代谢重编程，实现肿瘤细胞特异性免疫治疗。欧易生物提供双平台非靶向代谢组和空间代谢组检测及技术支持服务。
发表期刊：Nature Nanotechnology
影响因子：38.1
研究材料：
组织样本：B16F10荷瘤小鼠
运用的技术方法：代谢组学、转录组学、微生物组学、空气动力辅助解吸电喷雾质谱成像（AFADESI-MSI）、流式细胞术和质谱流式分析、液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）、气象色谱-质谱（GC-MS）
研究亮点：作者聚焦天然代谢酶和肿瘤-免疫细胞互作调控，合成铁和四面体钼原子构象的FeMoO4人工代谢酶，为代谢异常相关疾病（包括肿瘤、心血管疾病、痛风、糖尿病等）提供基于人工代谢酶的全新代谢免疫调控策略，开创化学生物学驱动的精准代谢治疗新范式。
技术路线
作者设计了一种独特的溶蚀-吸附-固定的程序，合成出FeMoO4纳米催化剂，一种新型人工代谢酶，具有Fe2+和四面体Mo4+活性中心的结构，精确模拟了类似XOR的催化领域（图 1a）。这种人工代谢酶在到达含有低水平XOR和黄嘌呤底物的肿瘤细胞时，会巧妙地将黄嘌呤快速转化为过量的尿酸，触发巨噬细胞释放促炎细胞因子、白细胞介素，从而促使M1巨噬细胞极化，并激活其他免疫细胞。这种代谢调控促进了细胞间代谢的通讯，协同免疫细胞对肿瘤细胞发起攻击，推动了肿瘤细胞特异性代谢疗法（图 1b）。该人工代谢酶展示了在生命代谢画布上靶向改造肿瘤细胞的潜力，将肿瘤细胞自己定位为一个燃烧的“火花”来刺激免疫系统的定点激活。
图1：用于肿瘤细胞特异性代谢治疗的FeMoO4人工代谢酶示意图
研究结果
1.代谢酶的合成与机理研究
作者设计了一种独特的溶蚀-吸附-固定的程序，Mo空位成为铁原子协调吸附和固定的锚点，最终导致原子和晶体结构的动态变化，促进了四面体Mo4+活性中心的出现，合成出FeMoO4纳米催化剂，一种新型人工代谢酶。其具有Fe2+和四面体Mo4+活性中心的结构，精确模拟了类似XOR的催化域（图 2）。
作者通过透射电镜、元素分析、球差电镜和同步辐射等技术方法，证实了Fe以单原子形式均匀分布在FeMoO4人工代谢酶结构中。研究还发现，FeMoO4人工代谢酶中Fe和Mo元素价态分别为Fe2+/Fe3+和Mo4+/Mo5+/Mo6+；此外，Fe的掺杂显著提高了Fe-O-Mo的电子转移效率，为在生命体系高效催化肿瘤细胞代谢产物黄嘌呤奠定了理化结构基础（图 3）。
2. 代谢酶模拟催化活性的机理
为理解FeMoO4代谢酶促进UA形成的反应机制，作者通过密度泛函理论（DFT）计算发现FeMoO4通过与羟基（OH）反应形成OH-MoO-Fe复合物，促进黄嘌呤的氢化物转移，从而提高了UA的生成效率（图 4a）。Fe原子掺杂引起的MoO3晶格重排，显著提高了FeMoO4人工代谢酶对黄嘌呤底物的吸附能力和表面电子活性，这在黄嘌呤转化为尿酸的催化过程中起到了关键作用，凸显了铁驱动催化的重要性。通过与天然XOR酶进行平行比较，四面体Mo4+成分促进了黄嘌呤的氧化。FeMoO4代谢酶的高电子传递效率以及催化结构与以Mo和Fe为中心的XOR酶的一致性，赋予了它模仿XOR催化的强大能力。这种能力生动地体现在UA的稳定生成上（图 4h）。
3.代谢酶对肿瘤细胞代谢的调节作用
作者进一步研究了FeMoO4代谢酶和UA代谢产物在体外肿瘤细胞-巨噬细胞串联中的作用。定量分析显示，FeMoO4代谢酶处理后肿瘤细胞分泌的UA明显增加（图 5a）。FeMoO4代谢酶促进与巨噬细胞之间的细胞间代谢串联，从而产生有效的抗肿瘤反应，揭示了FeMoO4代谢酶介导的肿瘤细胞内黄嘌呤代谢在抗肿瘤免疫反应激活中的深远作用。
作者采用非靶向液相色谱质谱联用（LC-MS）方法，测量了肿瘤组织中UA和相关代谢物的定量特征，用于研究FeMoO4代谢酶治疗后肿瘤细胞特异性代谢重塑的情况。FeMoO4-甲胎蛋白酶处理组与对照组的UA水平存在明显差异（图 5h,i）。作者通过空气动力辅助解吸电喷雾质谱成像（AFADESI-MSI）分析和Lillie染色，直接观察代谢组和FeMoO4代谢酶的空间分布（图 5j）。肿瘤组织的代表性代谢物成像图显示UA上调，高浓度UA代谢物的空间位置与FeMoO4代谢酶的位置重合（图 5k-m）。空间代谢组学有力的证实了FeMoO4代谢酶分布与癌症代谢重编程之间的直接关系。作者提取了特定区域的原位AFADESI-MSI图谱，以分析FeMoO4作用的肿瘤组织中Fe2+富集区和缺乏区的代谢物强度（图 5n）。特别是，在FeMoO4代谢酶保留明显的肿瘤组织中，UA代谢物的强度明显超过周围微区，也超过了对照组肿瘤组织的水平，这表明代谢酶定位与UA代谢重编程之间存在密切的相关性。
4.基于代谢调节的抗肿瘤免疫反应
FeMoO4人工代谢酶能够有效抑制B16F10肿瘤的生长。作者通过流式细胞术和质谱流式分析等技术，发现FeMoO4人工代谢酶显著提高了肿瘤组织中M1型巨噬细胞、CD8+ T细胞、CD4+ T细胞和成熟树突状细胞（DCs）的比例，同时上调了IL-1、TNF和IL-12等促炎细胞因子的水平。根据上述结果，作者得出结论：尿酸分子作为“定位和激活信号”介导肿瘤细胞与免疫细胞的之间的相互作用：
1）尿酸诱导邻近的巨噬细胞向M1表型极化，并激活NLRP3/IL-1通路，从而使巨噬细胞能够识别并吞噬“被定位”的肿瘤细胞；
2）尿酸和促炎细胞因子IL-1能够增强DCs和T细胞等免疫细胞活性，从而特异性激发抗肿瘤免疫应答。此外，FeMoO4人工代谢酶与PD-1单抗联用能够更有效地抑制肿瘤生长，并延长小鼠的生存期（图6）。
FeMoO4代谢酶具有超越免疫抑制肿瘤为缓解和增强B16黑色素瘤PD-L1表达的潜力，可为提高检查点阻断疗法的反应率提供有力的替代方案。
研究结论
作者报告了一种能无缝模拟类似XOR催化域的人工代谢酶，开创性的设计了一种独特的“溶蚀-吸附-固定”技术，将铁原子结合到氧化钼催化剂中，同时进行原子重排，以反映XOR的催化特征。该人工代谢酶在肿瘤细胞内协调黄嘌呤代谢，产生过量的UA，通过触发促炎细胞因子的产生来激活免疫系统。作者的“人工代谢酶”概念可能会催生一个新兴的“代谢酶替代疗法”领域，为完善先天性和后天性代谢紊乱的治疗提供一条途径。
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作者采用非靶向代谢组和AFADESI-MSI空间代谢组技术测量了肿瘤组织中UA和相关代谢物的定量特征，用于研究FeMoO4代谢酶治疗后肿瘤细胞特异性代谢重塑的情况。高浓度UA代谢物的空间位置与FeMoO4代谢酶的位置重合，空间代谢组技术有力的证实了FeMoO4代谢酶分布与癌症代谢重编程之间的直接关系。空间代谢组相关多组学技术的应用场景广阔，可用于疾病机制研究，标志物筛选，调控机制分子机制研究，是科研的好帮手~
原文链接
PMID: 39103450 DOI: 10.1038/s41565-024-01733-y质谱平台提供“靠谱”的空间
空间代谢组学仪器平台
已搭建2套AFADESI-MSI质谱成像系统+1套Waters DESI-MSI质谱成像系统
项目执行
截止2024年7月，已交付项目数400+、样本数量3000+；
技术标准立项
欧易生物质谱平台空间代谢组荣获上海市2023年度“科技创新行动计划”空间代谢组学分析检测的技术标准专项立项