越来越多的证据证实了代谢紊乱对一系列棘手疾病的影响，包括但不限于癌症、糖尿病和心血管疾病。在Warburg对癌症代谢变化的开创性揭示的基础上，在复杂的肿瘤微环境（TME）中参与代谢环境的策略——一个充满了包括肿瘤和免疫细胞在内的代谢活性成分的坩埚——已经成为精细和选择性癌症治疗的一个引人注目的途径。与靶向离散细胞亚群的传统方法相比，在代谢需求过程（如癌症）的背景下，代谢靶向（例如碳水化合物、嘌呤、天冬氨酸、谷氨酰胺或脂质代谢）的模式在驯服这些多方面疾病的复杂发病机制方面表现出了增强的功效。基于小分子和寡核苷酸的代谢调节剂的探索和临床整合，精确定位特定的代谢途径，标志着癌症治疗取得了关键性进展。尽管如此，现有的代谢调节剂通常缺乏肿瘤细胞特异性，其治疗效率经常受到不可预见的脱靶效应和简洁持续时间的阻碍。作为生物系统中的先天调节剂，酶在TME复杂区域内协调代谢变化中起着关键作用。通过以最小的辅助反应快速连续地将底物转化为令人垂涎的产物，这些生物催化剂表现出示范性的靶特异性和亲和力，这对于TME内的代谢重新校准至关重要。类酶纳米催化剂的出现，也称为纳米酶，在规避困扰天然酶的内在限制方面具有变革性的潜力，包括费用、稳定性和复杂的保存等问题。在过去的几十年里，纳米酶结构域以惊人的速度蓬勃发展，包括精心设计的广泛材料库，以模拟各种天然酶，包括氧化还原酶（例如过氧化物酶、氧化酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶）、水解酶（例如磷酸酶）、裂合酶（例如碳酸酐酶）等。然而，追求制造具有多金属代谢酶样特征的合成纳米酶是一项艰巨的挑战。在原子尺度上，调和高异质金属原子负载和原子嵌入金属氧化物基底中的活性催化位点的复杂性是一个有待解决的难题。基于原型代谢催化剂黄嘌呤氧化还原酶（XOR），它涉及黄嘌呤转化为尿酸（UA），其特征是基于铁（Fe）和四面体钼（Mo）的双催化辅因子。XOR与各种癌症预后较差的关联，特别是XOR表达低的癌症，突显了其对炎症反应的影响。此外，某些黄嘌呤衍生物的免疫抑制特性和UA在增强抗肿瘤免疫方面的显著作用强调了XOR在该研究过程中的关键相关性。利用这一见解，上海交通大学凌代舜、李方园等研究人员报告了第一种 “人工代谢酶”，他们设计了一种独特的腐蚀-吸附-固定化程序，通过将铁原子以1:1的化学计量明智地掺入MoO3-x催化剂中，与原子重排一起协调到四面体催化框架中，合成FeMoO4纳米催化剂——一种人工代谢酶。随后的代谢酶作为一种结构出现，同时具有Fe2+和四面体Mo4+活性中心，无缝模拟XOR样催化领域。当到达具有低XOR水平和升高的黄嘌呤底物的肿瘤细胞时，FeMoO4代谢酶熟练地驱动黄嘌呤快速转化为过量UA，然后无缝地触发巨噬细胞分泌促炎细胞因子（例如白细胞介素-1β（IL-1β）），从而驱动免疫刺激M1巨噬细胞的极化，并激活其他免疫细胞（例如树突状细胞（DC）和T细胞）。有趣的是，这种代谢调节促进了细胞间代谢与免疫细胞的相互作用，以决定功能和命运，从而引发对肿瘤细胞的协同攻击——这是一种驱动肿瘤细胞特异性代谢治疗的协调。该人工代谢酶展示了在代谢画布上靶向改造肿瘤细胞的潜力，将自己定位为一个燃烧的“火花”来协调免疫系统的激活。
图 | 代谢酶样FeMoO4代谢酶用于肿瘤细胞特异性代谢治疗的示意图通过制备MoO3纳米颗粒并进行水热处理，成功合成了含有Fe单原子固定的FeMoO4代谢酶。DFT计算揭示了掺杂过程中的原子和晶体结构变化，形成了具有Fe和四面体Mo4+双活性中心的FeMoO4。电子顺磁共振和X射线衍射证实了Fe原子的成功掺杂和结构转变。FeMoO4-4纳米颗粒在黄嘌呤转化为尿酸的实验中表现优异，显示出类似XOR的活性。TEM、EDS和HAADF-STEM表征显示Fe原子在FeMoO4中的均匀分散。XPS和EIS分析确认了Fe和Mo之间的电子转移，增强了催化效率。FTIR和DLS测量证实了表面修饰的成功。这些结果表明FeMoO4代谢酶具有精确的原子级调控和高度活性的氧化还原特性，为癌症治疗提供了新的策略。研究人员通过DFT计算研究了FeMoO4代谢酶催化尿酸生成的机制。FeMoO4代谢酶通过形成OH–Mo–O–Fe复合物，降低了黄嘌呤转化为尿酸的能量障碍，特别是高Fe掺杂浓度的FeMoO4代谢酶展现出接近天然XOR的能量障碍。这种结构调整增强了底物吸附和电子活性，提高了催化效率，与天然XOR相当。通过DOS分析，研究人员发现FeMoO4代谢酶中的Fe、Mo、O原子在费米能级附近的态密度显著增加，这有助于提高电子转移效率，使FeMoO4代谢酶能够有效地模拟XOR酶的催化作用。这些特性使得FeMoO4代谢酶在尿酸生成方面表现出色，为人工代谢酶的设计提供了新的思路。图 | FeMoO4代谢酶XOR样催化机制的DFT研究研究人员研究了FeMoO4代谢酶在细胞层面的作用，发现它能被细胞摄取，并且对多种细胞系具有生物相容性。FeMoO4代谢酶不会产生细胞毒性活性氧。研究人员还发现，FeMoO4代谢酶能显著增加B16肿瘤细胞分泌尿酸，并通过尿酸诱导巨噬细胞分泌IL-1β，这可能促进肿瘤细胞与免疫细胞之间的代谢交流。FeMoO4代谢酶处理的肿瘤细胞还能显著上调RAW264.7巨噬细胞中NLRP3炎症体和Caspase1的表达，提高M1/M2巨噬细胞比例，并促进B16-GFP细胞的吞噬。这些结果表明FeMoO4代谢酶通过调节代谢，激活了巨噬细胞，增强了抗肿瘤免疫反应，对T细胞的直接影响很小。FeMoO4代谢酶在体内实验中显示出MRI对比效果，并在注射后在肿瘤区域有效积累。肿瘤内尿酸水平经FeMoO4代谢酶处理后显著提升，而周围组织和血清中的尿酸水平变化不大。通过LC-MS技术，研究人员发现FeMoO4代谢酶改变了肿瘤组织中的尿酸和其他代谢物水平。AFADESI-MSI成像和Lillie染色显示尿酸代谢物的空间分布与FeMoO4代谢酶的分布紧密相关。FeMoO4代谢酶降低了与肿瘤生长相关的AMP和IMP水平。区域特异性分析表明，FeMoO4代谢酶在肿瘤组织中的分布与尿酸代谢重编程直接相关。这些结果表明FeMoO4代谢酶通过调节肿瘤细胞代谢，为癌症治疗提供了新策略。FeMoO4代谢酶在B16黑色素瘤小鼠模型中显著抑制了肿瘤生长，效果超过了MoO3纳米颗粒。治疗后肿瘤内的促炎细胞因子IL-1β和其他免疫因子显著上调，增强了抗肿瘤免疫反应。通过质谱细胞测量技术，研究人员发现FeMoO4代谢酶增加了M1型巨噬细胞比例，并提升了CD8+ T细胞、CD4+ T细胞和自然杀伤细胞的数量，同时减少了骨髓源抑制细胞。FeMoO4代谢酶还增强了树突细胞的活化，促进了适应性免疫反应，特别是在OVA特异性CD8+ T细胞的数量上有显著增加。肿瘤组织的切片染色显示FeMoO4代谢酶处理后肿瘤细胞破坏增加，免疫信号增强，PD-L1和PD-1表达上调。FeMoO4代谢酶治疗的小鼠在主要器官、体重、血液和生化分析上均显示出良好的生物相容性。此外，FeMoO4代谢酶与抗PD-1疗法的联合使用在B16黑色素瘤中表现出显著的协同效应，显著抑制了肿瘤生长，延长了小鼠生存期，表明其可能增强免疫检查点阻断的疗效。
图 | FeMoO4代谢酶用于肿瘤细胞特异性代谢治疗的方案
小结
该研究开发了一种人工代谢酶FeMoO4，它模拟了代谢酶XOR的催化特性，而不是简单地模仿具有活性氧种清除或生成能力的酶。通过独特的腐蚀-吸附-固定过程，研究人员将Fe原子整合到MoO3–x催化剂中，实现了原子重排，以反映XOR的催化本质。重要的是，这种代谢酶具有独特的功能，能够在肿瘤细胞内促进黄嘌呤代谢生成过量的尿酸（UA），作为免疫检查点激动剂，通过触发促炎细胞因子的产生来激活免疫系统。该创新通过精心设计的原子级结构，为开发高性能代谢酶开辟了有希望的途径，通过代谢重编程肿瘤细胞，使其能够自主调节并与免疫细胞直接交互，实现肿瘤细胞特异性的代谢治疗。代谢重编程是调节免疫细胞激活、分化和功能的关键机制，该工作为下一代基于细胞特异性代谢调节的疗法提供了指导，这种疗法可以无缝地针对疾病病灶，并以前所未有的精确度和效率解决病理免疫反应。研究人员设想，利用单原子工程模仿多种代谢酶的成功方法，将能够应对酶缺乏症等关键挑战，例如transaldolase缺乏和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺乏，这些是导致肝病和全球范围内溶血性贫血的主要原因。基于这项工作的基础发现，该“代谢酶”概念可能会催生“代谢酶替代疗法”的新领域，为精细管理先天性和获得性代谢紊乱提供途径，有可能逆转长期以来对医学科学构成巨大挑战的难治性疾病。Hu, X., Zhang, B., Zhang, M. et al. An artificial metabzyme for tumour-cell-specific metabolic therapy. Nat. Nanotechnol. (2024).https://doi.org/10.1038/s41565-024-01733-y
