仿生树枝状半导体人工酶：铁催化中心增强放疗并重塑免疫微环境以根除头颈鳞癌放射抵抗

《Cell Biomaterials》：Semiconducting artificial dendritic cells with biocatalytic and radiosensitive iron centers to eradicate radioresistant squamous cell carcinoma

为解决头颈鳞状细胞癌（HNSCC）放疗抵抗和免疫抑制微环境（TME）的临床难题，研究人员开发了一种铁掺杂半导体人工树枝状细胞（Fe-SAE）。该材料在X射线照射下通过原子级Fe催化中心高效产生活性氧（ROS），破坏DNA修复并激活CD8+T细胞和M1型巨噬细胞，在多种HNSCC模型（包括耐药和患者来源肿瘤）中实现高效、生物安全的肿瘤抑制，为 refractory HNSCC 提供了新的治疗策略。

　　

头颈鳞状细胞癌（HNSCC）是全球第七大常见癌症，每年新增病例超过110万，死亡约50万例。放疗（RT）是HNSCC的核心治疗手段，主要通过产生活性氧（ROS）引起DNA双链断裂（DSBs）和氧化损伤来杀死肿瘤细胞。然而，约75%的患者在初始响应后会出现放射抵抗，导致治疗失败。这种抵抗源于肿瘤细胞的异质性、癌症干细胞的存留、代谢适应以及免疫抑制微环境（TME）等多种机制。目前，克服放射抵抗的策略，如缺氧选择性放射增敏剂，往往存在疗效不足、系统毒性以及需要额外免疫佐剂等局限。因此，开发能够有效杀伤肿瘤细胞并重编程免疫抑制微环境的安全、高效的新一代放射增敏剂迫在眉睫。

传统的高原子序数（Z）纳米材料（如金、铪、镧系元素）虽然能放大辐射剂量，但其临床转化受限于高成本、体内长期滞留和慢性毒性风险。相比之下，低Z半导体纳米材料，特别是铁基半导体纳米材料，因其良好的生物相容性、固有的过氧化物酶（POD）模拟活性和持久的催化稳定性而成为有前景的人工酶。然而，其X射线吸收效率有限，免疫调节特性不明，限制了其应用。受树突状细胞（DCs）在肿瘤微环境中通过其多突起结构高效捕获和呈递抗原从而激活免疫的启发，研究人员设计了一种仿生树枝状结构的铁掺杂半导体人工酶（Fe-SAE），旨在模拟DCs的高表面复杂性和免疫交互结构，以同时增强催化效率、促进与肿瘤细胞的紧密接触和深部肿瘤渗透。

本研究由西华医院（West China Hospital）等机构的研究团队完成，发表于《Cell Biomaterials》。为开展研究，研究人员首先通过溶剂热法合成了具有树枝状拓扑结构的Fe-SAE微粒，并优化了铁与钒的摩尔比（Fe:V = 1:20）以平衡结构与催化活性。他们利用高角度环形暗场透射电子显微镜（HAADF-TEM）、X射线衍射（XRD）、X射线吸收近边结构（XANES）、扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）和X射线光电子能谱（XPS）等手段对材料的微观结构、元素分布、价态和配位环境进行了系统表征。通过3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）比色法和电子顺磁共振（EPR）分析了其POD模拟活性和X射线增强的ROS产生能力。密度泛函理论（DFT）计算用于阐明O₂吸附过程和能带结构。在体外实验中，使用MOC2和CAL33细胞系及其放射抵抗亚系（CAL33R）评估了Fe-SAE对ROS生成、DNA损伤（γ-H2AX焦点形成）、细胞凋亡（Annexin V/7-AAD染色）、迁移侵袭（Transwell实验）和克隆形成能力的影响。在体内实验中，建立了MOC2同系小鼠模型、CAL33R异种移植模型以及来自复发喉鳞癌患者的患者来源异种移植（PDX）模型，通过瘤内注射Fe-SAE并结合X射线照射（4 Gy）观察肿瘤生长、组织病理学变化（H&E、Ki-67、TUNEL、γ-H2AX染色）、免疫细胞浸润（多重免疫荧光染色，mIF）以及转录组学分析（RNA-seq，包括KEGG、GO富集分析和基因集富集分析GSEA）。此外，还通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）评估了材料的体内分布和排泄，并通过血液生化分析和主要器官H&E染色评估了生物安全性。

结果

Fe-SAE的结构表征与催化性能

研究人员成功构建了具有树枝状拓扑结构的Fe-SAE微粒，其纳米枝晶上均匀分布着原子级的铁催化中心。结构表征证实Fe原子以介于Fe²⁺和Fe³⁺之间的价态掺杂到V-SAE载体中，引起了晶格扰动并形成了Fe-O和Fe-S配位结构。XPS分析表明Fe-SAE中V⁵⁺含量和金属-O键含量增加，S^2-含量升高，这优化了材料的能带结构。Fe-SAE表现出优异的POD模拟活性，其最大反应速率（V_max）和转换数（TON）远高于V-SAE和典型的天然POD。EPR分析显示，在X射线照射下，Fe-SAE能显著增强单线态氧（¹O₂）的产生，这归因于其合适的能带结构（导带CB为-0.87 eV，价带VB为0.28 eV），能够有效地将O₂转化为超氧阴离子（·O₂^-），并进一步转化为¹O₂。DFT计算进一步表明，Fe-SAE中的Fe-O/S位点对O₂的吸附能（ΔG_ads= -0.98 eV）远低于V-SAE中的V位点（ΔG_ads= 0.77 eV），且其费米能级附近的态密度更高，有利于表面O₂富集和ROS生成。

体外生物催化与放射激活的抗肿瘤效应

Fe-SAE在体外展现出强大的肿瘤杀伤能力。在MOC2细胞中，Fe-SAE联合RT处理可显著增强细胞内ROS水平，诱导大量的γ-H2AX焦点（指示DNA双链断裂），并导致最高比例的细胞凋亡（53.03%）。此外，Fe-SAE+RT处理还显著抑制了MOC2细胞的迁移、侵袭和克隆形成能力。这些结果表明，Fe-SAE作为一种放射增敏人工酶，通过生物催化机制放大ROS生成，从而增强放射敏感性，协同改善肿瘤杀伤效果。

体内生物催化与放射激活的抗肿瘤效应

在携带MOC2肿瘤的小鼠模型中，瘤内注射Fe-SAE后联合4 Gy X射线照射，实现了最显著的肿瘤生长抑制，且对小鼠体重和主要器官无明显毒性，血液生化指标正常，显示出良好的生物相容性。组织学分析显示，Fe-SAE+RT组肿瘤组织出现广泛的空泡化和细胞质碎片，Ki-67表达显著降低，而TUNEL和γ-H2AX信号显著增强，表明增殖受抑、凋亡增加和DNA损伤加剧。ICP-MS分析显示Fe-SAE主要通过肝胆途径代谢和排泄，在心、肺、脾和血液中残留极低。

Fe-SAE重塑肿瘤免疫微环境

转录组学分析发现，与单独RT相比，Fe-SAE+RT处理显著上调了T细胞受体信号、PD-L1/PD-1检查点通路、自然杀伤细胞介导的细胞毒性以及抗原加工和呈递等免疫相关通路。多重免疫荧光染色证实，Fe-SAE+RT处理显著提高了肿瘤内CD8⁺T细胞的浸润，降低了调节性T细胞（Tregs）的比例（CD8⁺/Treg比率升高），并促进了巨噬细胞向M1表型（CD86⁺F4/80⁺）极化（M1/M2比率升高）。这表明Fe-SAE能够协同RT，在肿瘤微环境中实现双重免疫调节，增强抗肿瘤免疫力。

Fe-SAE克服获得性放射抵抗

通过分次照射（累计70 Gy）诱导构建的放射抵抗CAL33R细胞株，对4 Gy和6 Gy照射的存活率显著高于亲代CAL33细胞。Fe-SAE+RT处理能显著恢复CAL33R细胞的放射敏感性，诱导更高的ROS水平和凋亡率。在CAL33R荷瘤小鼠模型中，Fe-SAE+RT同样表现出强大的肿瘤生长抑制能力，并伴随Ki-67表达下降、γ-H2AX和TUNEL信号增强。

Fe-SAE在PDX模型中恢复放射敏感性

在一个经过33次放疗后复发的喉鳞癌患者的PDX模型中，Fe-SAE+RT治疗显示出最强的肿瘤抑制效果。基因集富集分析（GSEA）显示，Fe-SAE+RT显著抑制了与放射抵抗相关的Wnt信号和EGFR信号通路。模糊c均值聚类（MFUZZ）分析进一步发现，Fe-SAE+RT特异性下调了涉及DNA修复（如BRCA1, RAD51）、抗凋亡（如BCL2, BIRC5）、抗氧化防御（如SOD1, GPX1）和血管生成（如VEGFA）的基因簇，同时上调了与细胞周期阻滞和增殖抑制相关的基因（如CDKN1A, MDM2）。这表明Fe-SAE能够多层面地破坏耐药肿瘤的防御网络。

结论与讨论

本研究成功开发了一种仿生树枝状铁掺杂半导体人工酶（Fe-SAE），通过能带结构驱动的级联ROS放大，有效克服了HNSCC的放疗抵抗。Fe-SAE利用低Z、生物相容性元素，通过电子结构调控实现了高效的放射催化。其树枝状结构不仅增强了与肿瘤细胞的相互作用和瘤内渗透，还赋予了其固有的免疫调节功能。机制上，Fe-SAE联合X射线可诱导显著的DNA损伤和细胞凋亡，并抑制肿瘤细胞的恶性表型。在多种临床前模型中，Fe-SAE均表现出强大的放射增敏作用。转录组学分析表明，Fe-SAE能下调抗氧化防御、DNA修复和生存通路，同时激活免疫反应，促进CD8⁺T细胞浸润和M1巨噬细胞极化，从而系统性地瓦解肿瘤的抵抗机制。

与已报道的铁基放射增敏剂（如铁氧化物纳米颗粒、Fe-N-C单原子催化剂）相比，Fe-SAE独特的半导体特性和树枝状结构使其能够实现不依赖于外源性底物的ROS放大，并具有强大的免疫激活能力，尤其在逆转耐药肿瘤的放射敏感性方面展现出显著优势。其良好的生物安全性（主要通过肝胆代谢，主要器官无显著病理改变）为其临床转化提供了可能。虽然本研究未评估其对远端或转移性肿瘤的“远隔效应”，但其诱导的强效免疫原性细胞死亡（ICD）和免疫激活为未来联合免疫检查点抑制剂（如抗PD-1/PD-L1）治疗 refractory 实体瘤提供了广阔前景。总之，Fe-SAE作为一个安全、多功能且具有临床转化潜力的放射催化平台，整合了生物催化精确性和免疫调节效力，为克服难治性实体瘤的治疗抵抗提供了有前景的新策略。