以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications
英文原题：Modulation of Intratumoral Fusobacterium nucleatum to Enhance Sonodynamic Therapy for Colorectal Cancer with Reduced Phototoxic Skin Injury
作者：陈潜、张扬、秦环龙，同济大学医学院
背景介绍
结直肠癌(colorectal cancer, CRC)作为全球范围内高发的一种恶性肿瘤，带来了严重的卫生经济负担。结直肠癌发生发展的机制错综复杂，近年来研究逐渐认为肿瘤内病原体为CRC发生发展的重要环境因素。其中，大量研究交叉证实具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum, Fn)是结直肠癌的主要致瘤病原体，其通过影响肿瘤细胞CpG岛甲基化、微卫星不稳定性(MSI)、原癌基因BRAF、KRAS基因突变和调节肿瘤组织中的免疫反应等机制影响肿瘤进展。因此，整合消除致病性肿瘤菌株（如Fn）和直接抗肿瘤的功能，有可能获得更多的临床治疗价值。
文章亮点
2023年5月，同济大学上海十院秦环龙教授领衔的纳米医学与肠道微生态研究中心在美国化学会经典期刊，双一区杂志《ACS Nano》(IF:18.027)发表了题为“Modulation of Intratumoral Fusobacterium nucleatum to Enhance Sonodynamic Therapy for Colorectal Cancer with Reduced Phototoxic Skin Injury”的研究成果，并评为封面文章。屈潇、尹芳、裴曼曼是论文的共同第一作者，通讯作者为秦环龙教授、张扬教授和陈潜博士。
该研究以抑制肿瘤微环境中核心致病菌Fn来增强纳米声敏剂的SDT治疗效果为研究的出发点，构建了一种基于白蛋白基的具有抗菌性能的纳米声敏剂Au@BSA-CuPpIX（图1）。其通过抑制肿瘤内Fn下调了凋亡抵抗蛋白表达，使其介导的超声动力疗法具有较高的肿瘤抑制效率。这种抗瘤内核心致病菌与SDT联合治疗的方案，为实现高效的抗肿瘤纳米药物提供了新思路。此外，由于到有机声敏剂大多来源于光敏剂，日光和室内光线会激发其产生ROS，给药后会导致严重的皮肤炎症和损伤，对SDT在肿瘤治疗中的应用构成潜在威胁，所以本研究中使用了金纳米粒子作为电子/能量转移受体，以期抑制卟啉在皮肤组织产生ROS，防止对皮肤造成损伤，提高其具有生物相容性和生物安全性。
图文解读
图1. Au@BSA-CuPpIX的制备流程以及抑制瘤内病原菌增强SDT治疗肿瘤同时降低皮肤光毒性的示意图
在对目标纳米颗粒Au@BSA-CuPpIX进行合成和表征之后，研究团队首先探究了Au@BSA-CuPpIX对Fn的体外杀伤效果（图2）。在将Fn与Au@BSA-CuPpIX暗处共培养后，细菌活力、菌落图像和菌落计数结果表明，Au@BSA-CuPpIX对Fn具有良好的杀伤效果。此外，在给予超声照射的情况下，杀菌效果更为显著。扫描电镜和活/死细胞染色进一步验证了其杀菌效果。之后，研究团队对Au@BSA-CuPpIX的体外SDT效果进行验证，结果显示肿瘤细胞存活率与Au@BSA-CuPpIX浓度、US功率密度和US照射持续时间呈负相关，表明Au@BSA-CuPpIX具有高效的声毒性。
图2. Au@BSA-CuPpIX的体外抗菌性能
研究团队进一步评价了Au@BSA-CuPpIX抗肿瘤效果（图3）。当肿瘤细胞分别与Au@BSA-PpIX和Au@BSA-CuPpIX共培养时，在超声照射下抗CRC细胞的作用没有明显差异，这表明是否存在铜离子对未感染的HCT116细胞的声毒性没有显著差异。CCK8实验结果表明Au@BSA-CuPpIX即使在200 g/mL的高浓度下也未表现出明显毒性，生物相容性优良。研究团队评估了Au@BSA-CuPpIX联合SDT对感染了Fn的结直肠癌细胞的治疗效果。超声照射后，Au@BSA-CuPpIX对细胞存活率的抑制作用比Au@BSA-PpIX更明显，证明Au@BSA-CuPpIX相比于Au@BSA-PpIX是通过杀灭Fn来达到更高的抗肿瘤效果。然后，研究发现Au@BSA-CuPpIX联合US可诱导细胞内ROS明显升高，进一步利用Western blot结果表明Au@BSA-CuPpIX+US上调了促凋亡蛋白(Caspase 3、Caspase 9和Bax)的表达，同时抑制了抑凋亡蛋白Bcl-2的表达。
图3. Au@BSA-CuPpIX的体外抗肿瘤活性
接下来，研究团队利用异种移植荷瘤小鼠模型，探究了Au@BSA-CuPpIX的体内SDT效率（图4）。与对照组和Au@BSA-PpIX组相比，Au@BSA-CuPpIX组的肿瘤生长受到抑制；US照射后，Au@BSA-CuPpIX组的肿瘤抑制效率明显提高，且明显高于其他组，这表明Au@BSA-CuPpIX可以通过消除瘤内Fn来抑制肿瘤生长。肿瘤组织的H&E染色、免疫组织化学染色(Ki-67)、TdT介导的dUTP缺口末端标记(TUNEL)结果表明：Au@BSA-CuPpIX + US治疗组中对肿瘤细胞的杀伤和抑制作用最明显。此外，利用特异性荧光原位杂交(FISH)探针检测肿瘤内Fn显示：Au@BSA-CuPpIX + US能够有效清除瘤内Fn。这些结果表明，Au@BSA-CuPpIX通过与SDT联合消除瘤内核心致癌细菌，对异种移植结肠直肠肿瘤显示出优越的治疗效果。
图4. 利用异种移植模型验证Au@BSA-CuPpIX的体内SDT效率
为了进一步评估Fn在CRC临床相关体内模型中的作用，构建了Fn感染的荧光素酶转染的HCT116细胞原位肿瘤模型（图5）。通过体内生物荧光成像明显观察到Au@BSA-CuPpIX组的生物发光强度最弱，表明Au@BSA-CuPpIX具有最强的抗肿瘤效应。此外，在35天内检查了每个治疗组小鼠的存活时间，表明使用Au@BSA-CuPpIX联合SDT治疗延长了中位生存期和生存率。此后，为探索Au@BSA-CuPpIX是否能减少CRC的体内转移，通过尾静脉注射Fn感染的过表达荧光素酶的HCT116细胞构建了肺转移模型。Au@BSA-CuPpIX组在肺部监测到的生物发光强度始终低于PBS和Au@BSA-PpIX组，表明Au@BSA-CuPpIX对Fn的抑制作用有助于抑制CRC转移。
图5. Au@BSA-CuPpIX抗原位CRC和肺转移瘤的体内SDT效率
最后，研究团队评估了Au@BSA-CuPpIX的皮肤光毒性（图6）。体外研究发现，在光照射或不照射的情况下，Au@BSA-CuPpIX处理对细胞存活率的影响可忽略不计，且ROS产生水平较低，表明Au@BSA-CuPpIX没有明显的光毒性。进一步利用健康雄性C57BL/6小鼠进行体内验证。光照后，就背部皮肤水肿程度而言，Au@BSA-CuPpIX注射组远不及BSA-CuPpIX注射组；定量分析显示，用BSA-CuPpIX联合光照处理的小鼠的平均皮肤重量比对照组的小鼠高约180%，而用Au@BSA-CuPpIX联合光照处理后的皮肤重量没有显著变化。组织学研究发现，光照射3天后，Au@BSA-CuPpIX治疗的小鼠皮肤损伤程度远低于在BSA-CuPpIX治疗组。这些结果表明金纳米粒子有效消除了卟啉对皮肤的光毒性。
图6. Au@BSA-CuPpIX的皮肤光保护性评估
总结/展望
综上所述，研究人员构建了一种抗菌纳米平台(Au@BSA-CuPpIX)，其具有良好的超声激发ROS生成和对Fn的抗菌活性。异种移植及体内原位CRC模型实验证明，Au@BSA-CuPpIX通过消除病原菌Fn，显著提高SDT的治疗效果，抑制CRC肿瘤转移。值得注意的是，Au@BSA-CuPpIX可以降低声敏剂的光毒性，提高其临床转化潜能。“抗有害细菌协同肿瘤治疗”等概念有望为准确、高效的病原体相关癌症治疗提供新的解决方案和科学支持。
通讯作者信息：
秦环龙 教授
秦环龙，教授、主任医师、教授、博导，第十人民医院院长，同济大学肠道疾病研究所所长，中华医学会肠外肠内营养分会副主委、中国医师协会临床营养副主委、市预防医学会微生态主委、肠外肠内营养分会主委。担任Gastroenterology Research and Practice编委，American Association for Cancer Research-AACR与American Gastroenterological Association-AGA协会会员。主编专著2部，获得教育部科学技术进步一等奖、二等奖各一项，上海市技术发明三等奖一项。承担NSFC重点、面上项目等20余项，在Gastroenterology，Gut，Nature Communications等国际权威期刊发表SCI论文120余篇，累计影响因子400余分。
张扬 教授
张扬，上海第二军医大学药学院药剂学博士，同济大学纳米科学博士后（导师施剑林院士）。现任同济大学研究生导师、研究员，迄今为止获得国家自然科学基金面上和青年项目、上海市自然科学基金等多项经费资助，申请并获授权国家发明专利20余项，作为副主编编写人民卫生出版社书籍《临床肠道微生态学》，在国际重要杂志Signal transduction and targeted therapy, Advanced Materials, Nano Today，Advanced Functional Materials，ACS Nano, Biomaterials, In J Pharm，NBM 等发表论文20余篇，总计IF为300余分，单篇最高IF=38.104，单篇最高引用201次。现任中国医药卫生协会医工融合分会委员、上海市医学会肠内肠外营养专科分会青年委员，中国医药卫生文化协会医工融合分会细胞治疗技术和设备学组青年学组主委，上海十院临床研究学术委员会委员。
陈潜 博士后
陈潜，中国科学院大学上海硅酸盐研究所博士，同济大学博士后。以第一作者或者通讯作者在国际重要期刊Signal transduction and targeted therapy，Advanced Functional Materials，ACS Nano，Biomaterials, Nano Today等发表论文10篇，单篇最高IF=38.104，单篇最高引用190余次。获得4项授权发明专利、2020年上海市“超级博士后”激励计划资助、中国博士后科学基第70批金面上资助二等、获得上海市研究生优秀成果（硕士学位论文）。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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