第一作者：周宣彤、高奋娥

通讯作者：周会鸽、骆爱萍、陈春英、刘芝华

通讯单位：中国医学科学院肿瘤医院、国家纳米科学中心

论文DOI：10.1021/acsnano.4c05100

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该论文着重归纳总结了中国医学科学院肿瘤医院刘芝华研究员和国家纳米科学中心陈春英院士团队为克服食管癌放疗抵抗，设计研发了多功能Bi@PP/miR339纳米体系，其具有pH 响应性、缓解乏氧及CT 成像的特性；系统地阐述了miR339通过抑制靶基因USP8表达，进而抑制肿瘤细胞干性机制；证实Bi@PP/miR339可以实现食管癌放疗增敏，有望为临床食管癌治疗提供一种新的治疗模式（图1）。

图1. Bi@PP/miR339实现食管癌放疗增敏的策略

背景介绍

食管癌作为高发的消化道恶性肿瘤之一，发病隐匿，早期症状不明显，多数食管癌患者初诊时就已经属于局部晚期，需要采取综合治疗方案，如新辅助放疗、化疗、放化疗或免疫治疗等，但部分患者对新辅助治疗不敏感，导致五年生存率低及预后差。因此，食管癌放化疗抵抗是临床治疗中迫在眉睫的“卡脖子”问题，靶向放疗抵抗的策略主要集中于促进DNA损伤、抑制DNA损伤修复及靶向肿瘤干细胞。

在前期研究中，作者发现miR339参与DNA损伤，促进食管癌的放疗敏感性；miR339作为血液液体活检的标志物，可以预测食管癌新辅助放疗的疗效。基于155例配对食管癌转录组数据分析，作者发现miR339高表达组细胞干性评分低且放疗敏感，提示miR339有望作为潜在的放疗增敏因子。

鉴于miRNA在血液循环中稳定性差且较低的肿瘤靶向性，作者设计研发了一种新型硫化铋纳米花(Bismuth sulfide，Bi2S3)，具有更高的miRNA 负载能力、pH 响应性、乏氧缓解及CT 成像功能。Bi@PP 由于其花朵状结构，可以封装更多的 miR339；除了作为载体，Bi@PP具有动态监测体内miR339的分布及抑制食管癌细胞生长的特性；在PDX模型中，Bi@PP/miR339可以增强食管癌放疗疗效，为miRNA用于临床治疗提供了一种新的模式。

研究出发点

首先，作者基于155例配对食管癌转录组数据分析及前期的研究基础，发现miR339高表达组细胞干性评分低且放疗敏感，提示miR339有望作为潜在的放疗增敏因子。因此，体内递送miR339是克服食管癌放疗抵抗的有前景的疗法（图2）。

图2. MiR339可以抑制肿瘤细胞干性和放疗抵抗。

由于miRNA在体内存在易降解，靶向效果不佳，透膜率低等问题，体内应用需要通过递送系统帮助其提升稳定性、靶向性和转染效率。作者在实验偶然升温的过程中，发现了硫化铋(Bi2S3)的纳米花形貌。该纳米粒子尺寸均一，且相较于传统的纳米硫化铋，其花瓣状超大比表面积可提供更多的结合位点。为进一步增加对miRNA的载带效率和保护作用，作者合成了pH响应型高分子，将其修饰在硫化铋纳米花表面，并以此构建了硫化铋纳米花基因递送系统（图3）。

图3. Bi2S3及Bi@PP/miR339的表征和功能。

为了明确Bi@PP/miR339对miR339的递送方式及安全性，作者进一步探究了Bi@PP/miR339进入细胞的方式和递送效率。结果发现，Bi@PP/miR339通过溶酶体途径进入细胞，其pH响应型表面设计不仅可以通过阳离子聚合物的质子化增强纳米递送系统的溶酶体逃逸效率，也可以促进miR339的释放，进一步提高miR339在胞内的表达效率，其表达效率为游离miR339的4000倍（图4）。

图4. Bi@PP/miR339可以高效稳定的递送miR339。

随后，作者探究了Bi@PP/miR339在体外对细胞干性、DNA损伤、细胞凋亡的影响。结合成球实验、蛋白免疫印迹法、流式细胞术和caspase活性检测等实验结果，发现Bi@PP/miR339可以在体外显著抑制食管癌细胞干性，促进DNA损伤的增加，从而促进照射引起的细胞凋亡，进而提高食管癌细胞的放疗敏感性。

图5. Bi@PP/miR339可以抑制细胞干性抑制，诱导细胞凋亡，实现放疗增敏。

为了明确Bi@PP/miR339用于体内治疗性实验的可行性，作者进一步研究了Bi@PP/miR339在体内的靶向递送效率、联合治疗效果和安全性。基于硫化铋的X-射线吸收能力和miR339的Cy5染料修饰，使作者可以通过CT成像技术和近红外成像新型活体荧光影像技术实现对Bi@PP/miR339的实时追踪和脏器分布检测。结果表明，该递送系统可以在肿瘤部位显著富集且被逐步代谢。同时，两例PDX模型上的治疗效果进一步证明该miRNA与硫化铋增敏放疗的联合治疗策略可逆转食管癌放疗抵抗，为食管癌治疗提供新方法（图6）。

图6. Bi@PP/miR339联合放疗可以有效提高食管癌放疗疗效。

最后，作者探究了Bi@PP/miR339抑制肿瘤细胞干性，诱导DNA损伤，促进食管癌放疗敏感性的机制。作者发现Bi@PP/miR339载带的miR339可以通过与下游靶基因USP8的直接结合来抑制其表达，进而抑制食管癌细胞干性，促进DNA损伤的增加和照射引起的细胞凋亡，进而提高食管癌细胞的放疗敏感性（图7）。

图7. MiR339通过直接靶向USP8抑制肿瘤细胞干性和放疗抵抗。

总结与展望

放疗抵抗是临床治疗面临的重要挑战，是导致肿瘤复发、转移和放疗失败的重要原因之一。作者设计研发了多功能Bi@PP/miR339纳米体系，为提高食管癌放疗疗效提供了新的联合治疗模式。相较于其它具有球形或尖刺形态的无机纳米颗粒，作者偶然发现的硫化铋纳米花表现出极强的miRNA装载能力，说明了花瓣状超大比表面积可增加结合位点，且后续设计的Bi@PP/miR339纳米体系可以增强miR339在血液循环中的稳定性，提高肿瘤细胞的摄取率，帮助miR339从溶酶体中逃逸，并具有良好的体内外放疗增敏效果。除此之外，铋元素提供了强的CT信号，便于观察Bi@PP/miR339的分布，确定放疗的最佳应用时间，并进行引导治疗过程。此外，开发的纳米平台后续可用于输送其他类型的药物递送，如CRISPR-Cas9。

参考文献

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课题组介绍

陈春英，中国科学院院士，国家纳米科学中心研究员、博士生导师。中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室副主任，中国生物材料学会理事（第四届），先后担任国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、“纳米前沿”重点专项首席科学家。主要从事纳米蛋白冠的分析方法及其化学生物学效应、纳米材料生物体内行为的检测方法与机制、纳米佐剂与药物递送系统研究。在Nature Nanotechnology、Nature Methods、Nature Communications、PNAS、JACS、Angew Chem 等学术期刊上发表论文300余篇，获中国授权发明专利45 项，主编中英文专著8 部。获得国家自然科学二等奖、中国科学院杰出科技成就奖、中国青年女科学家奖、TWAS 化学奖、IUPAC化学化工杰出女性奖、英国皇家化学会Environment Prize等荣誉称号。

刘芝华教授，中国医学科学院肿瘤医院研究员、博士生导师。中国医学科学院肿瘤医院副院长，分子肿瘤学全国重点实验室主任，国家癌症中心副主任。国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，国家“万人计划”领军人才，新世纪“百千万人才工程国家级人选”。获得国家科技进步一等奖、中国抗癌协会科技一等奖 、中华医学科技一等奖、中国青年女科学家奖等荣誉称号。主持重点研发计划项目，国家自然科学基金重点项目、重点国际合作项目等。致力于食管癌的基础和转化研究，多层面阐释食管癌发生发展分子机制，构建食管癌个体化精准诊疗体系。以通讯作者在Cancer Cell、Cell Research等杂志发表论文百余篇，被引用12000余次，H指数63。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c05100