01
研究背景
肿瘤干细胞（CSCs）具有无限自我更新以及分化能力，被认为是引起肿瘤放化疗抵抗的根本原因。常规放疗虽然可以有效杀死普通肿瘤细胞，但CSCs却可以存活，并最终导致肿瘤复发，另外，放疗还可以诱导非CSCs重新获得CSCs特性，进一步增加肿瘤治疗的难度。CSCs多位于难以实现药物有效递送的肿瘤组织深处，并且还有乏氧以及低pH等不良因素加持，如何提高药物对CSCs的递送效率，有效杀死CSCs，是从根本上克服放疗抵抗、开发新型放疗增敏剂中的难点问题。
02
研究工作简介
如图1所示，通过对乏氧培养的侧群（SP）细胞与普通肿瘤细胞进行对比，研究团队发现具有干细胞特性的乏氧SP细胞相比于普通肿瘤细胞显著高表达乏氧相关蛋白碳酸酐酶IX（CAIX）。CAIX作为一种膜结合蛋白，在维持肿瘤干细胞干性与促进肿瘤转移等方面具有重要作用。另外，通过结合数据库分析，CAIX在多种肿瘤中高表达，并介导肿瘤患者较差的预后。因此，团队猜测CAIX可以作为药物靶向乏氧CSCs并对其功能进行调控的有效靶点。
图1. CAIX作为乏氧CSCs的标志物的可行性确认。A) 在常氧和低氧条件下培养的SP细胞的细胞外pH。B) CAIX在肺腺癌（LUAD）中的RNA-seq表达水平和根据TCGA数据库按CAIX高表达和低表达分类的LUAD患者的C) Kaplan–Meier生存曲线。D) CAIX和HIF-1α表达的蛋白质印迹分析，以及E) CAIX在常氧SP细胞（N-SP）、缺氧非SP细胞（H-non-SP）和缺氧SP细胞（H-SP）中的代表性免疫荧光染色图像（比例尺=100µm）。
接下来，团队以CAIX靶向抑制为出发点，将小分子放疗增敏剂顺铂作为药物模型，基于自组装多肽设计了放疗增敏剂前体，ABS-GFFK(Pt)YPLGLAG-PEG1000。该放疗增敏剂前体可在体外条件下形成球状胶束，借助PEG链的长循环作用到达肿瘤部位后，在肿瘤部位高表达的基质金属蛋白酶-2 (MMP-2) 的作用下释放出多肽单体ABS-GFFK(Pt)YPLG。ABS-GFFK(Pt)YPLG作为单链分子，可实现肿瘤部位深层渗透，并通过ABS基团对CAIX的靶向作用，进一步富集到乏氧CSCs处。富集到肿瘤乏氧部位的多肽单体可进一步发生原位自组装，在CSCs细胞膜表面形成原位组装体。原位组装体的形成，可以进一步放大对CAIX的抑制，改善乏氧肿瘤干细胞壁龛，诱导肿瘤干细胞分化；同时，其可通过CAIX介导的内吞作用，促进肿瘤干细胞对放疗增敏剂的摄取，使分化治疗与放疗增敏高效协同（图2）。
图2. 细胞膜表面原位自组装体诱导肿瘤干细胞分化促进放疗增敏作用机制示意图。
没有外加照射条件下，该放疗增敏剂相比于对照组具有轻微的抑瘤效果。外加照射后，该放疗增敏剂能够协助放疗有效抑制肿瘤的生长并延长荷瘤小鼠生存期（图3）。另外，研究发现放疗会使CSCs比例显著上升，但放疗增敏剂给药组未出现干细胞比例明显上调的问题。通过斑马鱼荷瘤模型也可以看出，单纯6Gy的辐射剂量照射，对CSCs在斑马鱼体内的侵袭与转移没有任何影响，但放疗增敏剂给药组可以显著抑制CSCs的转移与侵袭（图4）。
图3. CA-Pt促进NCI-H1975荷瘤小鼠的放疗效果。A) 肿瘤治疗时间表。B) NCI-H1975荷瘤BALB/c裸鼠在不同治疗后的平均肿瘤体积生长谱。C) 肿瘤重量和D) 每个治疗组中通过颈椎脱位切除后切除的肿瘤的光学图像。E) 各组的个体肿瘤生长动力学和F) Kaplan-Meier生存曲线。G) 指定配方治疗后肿瘤切片的TUNEL染色（比例尺=100 μm）。
图4. CA-Pt在体内对CSCs的分化诱导作用和抗转移能力。A) 从NCI-H1975荷瘤小鼠的肿瘤组织中分离的CD133+和B) ABCG2+细胞在不同治疗后的比率。C) 在超低附着六孔板中培养来自肿瘤组织的肿瘤细胞5天后的肿瘤球体的数量。D) Nanog和E) Sox-2在用指定形成物处理的小鼠的肿瘤切片中的免疫组织化学图像。F) 超低附着六孔板中肿瘤球体5天的代表性光学图像（比例尺=100 μm）。G) 不同处理后拍摄的斑马鱼胚胎的代表性局部放大图像。白色箭头表示肿瘤细胞侵入心包外。H) SP-A549细胞侵入心包腔外部的定量。
03
工作的亮点、新颖性和意义
1、通过将乏氧CSCs与普通肿瘤细胞进行对比，发现乏氧CSCs显著高表达CAIX，并将PEG 长循环作用、CAIX靶向作用以及原位自组装功能进行整合，使放疗增敏剂通过“血管特异性靶向-多肽单体释放-乏氧CSCs部位富集-原位自组装” 这一串联过程，实现药物对乏氧肿瘤干细胞的高效递送。
2、利用细胞膜表面原位自组装功能实现放疗增敏剂对CAIX 抑制能力的放大，从而调控肿瘤组织偏酸性pH、改善肿瘤乏氧微环境从而诱导CSCs 分化，从根本上促进放化疗增敏。
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论文信息
该研究得到了国家自然科学基金杰出青年基金项目、国家自然科学基金面上项目、中国医学科学院医学与健康科技创新工程等项目的资助。
作者：Qian Wang （王倩）, Hongmei Cao （曹红梅）, Xiaoxue Hou （侯小雪）, Dianyu Wang （王佃余）, Zhilong Wang （王志龙）, Yue Shang （尚悦）, Shuqin Zhang （张书琴）, Jinjian Liu （刘金剑）, Chunhua Ren（任春华）, Jianfeng Liu（刘鉴峰）
文章题目：Cancer Stem-like Cells-Oriented Surface Self-Assembly to Conquer Radioresistance
期刊名：Advanced Materials
年份：2023
DOI号：10.1002/adma.202302916
全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202302916
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研究团队简介
刘鉴峰 研究员
刘鉴峰， 中国医学科学院&北京协和医院研究员，博士生导师，获国家杰青、国家优青，天津市杰青等项目资助，享受国务院特殊津贴专家，天津市有突出贡献专家。在纳米药物研发、多模态分子探针研制、放射性核素标记及药代动力学等领域开展研究。以通讯/共同通讯作者在Sci Adv、J Am Chem Soc、Angew Chem Int Ed Engl、Adv Mater等国际知名期刊上发表SCI论文80余篇，被引用4000余次。申请发明专利12项，获得授权9项。
课题组主页:http://liu-lab.cn/members.html
任春华 副研究员
任春华，中国医学科学院放射医学研究所，副研究员；主要聚焦于自组装肽基纳米药物的构建及肿瘤诊疗研究，以第一作者/通讯作者在ACS Nano、Small Methods、Chem. Eng. J.、Theranostics、ACS Appl. Mater. Interfaces等多个学术期刊上发表相关论文20余篇；主持承担国自然面上、青年等多个项目，申请发明专利10项，授权5项。
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