河北医科大学药学院王静：双功能线粒体靶向多金属氧酸盐纳米胶束增强三阴性乳腺癌中焦亡依赖性抗肿瘤...

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（来源：稀有金属RareMetals）

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双功能线粒体靶向多金属氧酸盐纳米胶束增强三阴性乳腺癌焦亡依赖性抗肿瘤免疫应答

豆晴晴，姜培晓，张芳，杨坤，李志超，张默，王静

河北医科大学药学院

【文献链接】

Dou, Qingqing, PeixiaoJiang, FangZhang, et al. 2026. “A Dual-Function Mitochondria-Targeted Polyoxometalate Nanomicelle Boosts Pyroptosis-Dependent Antitumor Immune Response in Triple-Negative Breast Cancer,” Rare Metals: e70302. https://doi.org/10.1002/rar2.70302.

【背景介绍】

三阴性乳腺癌（TNBC）的免疫治疗效果常受限于其免疫抑制性微环境，而细胞焦亡的免疫治疗潜力往往因代偿性线粒体自噬的激增而被削弱。为应对这一挑战，本研究开发了一种活性氧（ROS）响应且线粒体靶向的纳米胶束（POM@CTT），旨在同步调控“焦亡-自噬-免疫“互作网络。POM@CTT响应线粒体ROS快速释放多金属氧酸盐（POM）组分并在激光照射下产生单线态氧。研究表明，POM不仅通过NLRP3/Caspase 1/GSDMD轴诱导细胞焦亡，还通过GSDMD-N端片段的作用破坏细胞膜和线粒体膜。这种破坏促进线粒体DNA（mtDNA）释放至胞质，从而激活cGAS-STING先天免疫通路。更为关键的是，POM同时破坏溶酶体功能，有效阻断自噬通量。这一阻断作用阻止了焦亡诱导的代偿性线粒体自噬，从而维持并放大了mtDNA-cGAS-STING轴介导的免疫激活信号。体内实验证实，POM@CTT治疗显著促进了T细胞向肿瘤的浸润。此外，与αPD-L1联合应用时，其对原发肿瘤和远端肿瘤均表现出强效抑制作用，并有效延长了荷瘤小鼠的生存期。本研究通过协同诱导细胞焦亡和阻断自噬通量重塑肿瘤免疫微环境，为克服TNBC免疫治疗耐药提供了新的治疗策略。

【文章亮点】

1.钴取代的多金属氧酸盐（Co-POM）被确认为细胞焦亡的强效诱导剂，可通过NLRP3/Caspase 1/GSDMD信号轴发挥作用；同时破坏溶酶体完整性以阻断自噬流。

2.研究团队设计了一种活性氧（ROS）响应性、线粒体靶向的纳米胶束POM@CTT，能够同步调控“焦亡-自噬-免疫“互作网络。

3.POM@CTT通过诱导细胞焦亡、激活cGAS-STING通路并阻断自噬通量，有效激活抗肿瘤免疫应答。联合抗PD-L1抗体（αPD-L1）后，可显著促进T细胞浸润，抑制原发及远处肿瘤生长，延长生存期。

【内容简介】

日前，河北医科大学药学院王静教授课题组在Rare Metals上发表了题为“A Dual-Functional Mitochondria-Targeted Polyoxometalate Nanomicelle Boosts Pyroptosis-Dependent Antitumor Immune Response in Triple-Negative Breast Cancer”的研究性文章。该研究创新性提出了基于线粒体靶向多金属氧酸盐（POM）纳米胶束的“焦亡-自噬-免疫”协同调控机制，通过活性氧（ROS）响应性药物释放，同步实现细胞焦亡诱导、自噬通量阻断及cGAS-STING通路激活，为三阴性乳腺癌的免疫治疗提供了全新的理论依据。

针对多金属氧酸盐（POMs）在肿瘤治疗应用中面临的两大核心挑战——即诱导细胞死亡的分子机制模糊不清，以及因超小粒径（<2 nm）引发的肾清除过快、肿瘤蓄积不足问题——本研究率先整合转录组学、分子对接与分子动力学模拟技术，系统阐明了POMs的核心作用靶点及内在分子机制。以此为理论基础，课题组进一步设计并构建了一种线粒体靶向的智能纳米递送系统，有效提升了药物在肿瘤部位的富集效率，从而最大化释放了POMs在三阴性乳腺癌（TNBC）免疫治疗中的潜在价值。

【图文解析】

图1 Co-POM对4T1细胞的代表性成像及分子机制。（A）4T1细胞经Co-POM处理前后的激光共聚焦图像；（B）扫描电镜图像；（C）对照组与Co-POM组差异表达基因的火山图；（D）差异表达基因GO富集分析；（E）KEGG富集分析；（F）NOD样受体信号通路的GSEA分析；（G）Co-POM与NLRP3蛋白的分子对接；（H-I）Co-POM处理前后4T1细胞中NLRP3蛋白的免疫印迹及灰度统计。

为了筛选能够诱导细胞焦亡的多金属氧酸盐（POMs），研究团队首先通过细胞形态学观察发现：经含钴POM（Co-POM）处理后，乳腺癌细胞（4T1）出现典型的气泡样肿胀并伴随细胞膜破裂——这正是细胞焦亡的标志性形态特征。为进一步揭示Co-POM诱导焦亡的分子机制，研究者对处理前后的4T1细胞进行了转录组学分析。差异基因富集结果显示，Co-POM可激活多条与炎症及免疫应答相关的信号通路，其中NOD样受体通路（调控NLRP3的关键通路）呈现显著富集。值得注意的是，NLRP3作为NLRP家族中最具代表性的炎症小体之一，是经典细胞焦亡通路的核心启动因子。最终，通过分子对接和分子动力学模拟，研究证实Co-POM可直接作用于NLRP3蛋白，通过激活该通路诱导肿瘤细胞发生焦亡，从而发挥抗肿瘤效应。后续将Co-POM简称为POM。

图2 POM@CTT胶束的合成、表征及体外特性。（A）POM@CTT合成示意图；（B）各阶段材料的傅里叶变换红外光谱；（C）mPEG-TK-NH2和（D）mPEG-TK-Ce6的核磁共振氢谱；（E）POM@CTT的透射电镜图像；（F）POM@CTT的元素映射图像及扫描透射电镜形貌；（G）CTT和POM@CTT的动态光散射；（H）合成各阶段的Zeta电位；（I）对照组、CTT、POM@CTT和POM溶液中DPBF在410 nm处的吸光度衰减；（J）激光照射后TEMP捕获1O2的电子自旋共振谱；（K）POM释放曲线；（L）POM@CTT胶束与不同浓度H2O2孵育后的透射电镜图像。

基于上述POM诱导细胞焦亡的机制发现，研究团队精准设计了一种智能胶束递送系统，以解决POM因分子尺寸过小而易被机体快速清除的难题。

通过核磁共振氢谱（1H NMR）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、透射电子显微镜（TEM）及动态光散射（DLS）等多维度表征手段，成功证实了负载Co-POM的聚合物胶束（POM@CTT）的构建。体外功能评价显示，POM@CTT在660 nm激光照射下可高效产生单线态氧（1O2），展现优异的光动力（PDT）性能；同时，面对肿瘤微环境中高浓度的活性氧（ROS），胶束能够发生智能裂解，进而释放其疏水区负载的Co-POM。这中“光动力-化学诱导“的协同设计，为后续实现焦亡诱导与免疫激活的双重抗肿瘤效应奠定了坚实的材料基础。

图3 POM@CTT胶束在4T1癌细胞中的治疗效果。（A）POM@CTT抗肿瘤机制示意图；（B）CTT的细胞摄取及线粒体共定位；（C）4T1细胞与不同处理组共孵育后的活力；（D）图像及（E）不同处理下细胞内ROS检测的荧光强度统计分析，比例尺=20 μm；（F）钙黄绿素-AM/PI染色后的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像及（G）荧光强度统计分析，比例尺=50 μm。分组：1. 对照组，2. POM，3. CTT，4. CTT(L)，5. POM@CT，6. POM@CTT，7. POM@CTT(L)。

体外实验首先验证了POM@CTT的递送效率：该纳米载体可被4T1细胞高效摄取，并借助三苯基膦（TPP）的“导航”作用精准靶向线粒体。细胞毒性评价（MTT法）及活/死细胞染色结果显示，POM@CTT能够显著抑制肿瘤细胞增殖；尤为关键的是，在660 nm激光照射下，细胞内ROS水平急剧攀升，抗肿瘤活性得到显著增强。基于这些初结果，研究团队进一步深入解析了POM@CTT诱导肿瘤细胞死亡的分子机制。

图4 POM@CTT诱导4T1细胞焦亡及激活抗肿瘤免疫。（A）4T1细胞形态的明场图像；（B）JC-1染色及（C）荧光强度统计；（D）NLRP3免疫荧光染色的CLSM图像及（E）荧光强度统计；（F）Caspase-1免疫荧光染色图像及（G）统计；（H）GSDMD免疫荧光染色图像及（I）统计；（J）CRT免疫荧光染色图像及（K）统计；（L）HMGB1免疫荧光染色图像及（M）统计；（N）POM@CTT触发的抗肿瘤免疫治疗示意图；（O）细胞内ATP含量及（P）LDH释放；（Q）qPCR评估胞质mtDNA含量；（R）焦亡相关蛋白，（S）cGAS-STING通路相关蛋白及（T）灰度定量。比例尺=20 μm。分组：1. 对照组，2. POM，3. CTT，4. CTT(L)，5. POM@CT，6. POM@CTT，7. POM@CTT(L)。

为深入解析POM@CTT的抗肿瘤免疫机制，研究团队首先聚焦其核心功能——诱导细胞焦亡。实验证实，POM@CTT可高效激活NLRP3/Caspase-1/GSDMD经典焦亡通路：处理后细胞中NLRP3炎症小体组装、Caspase-1活化、GSDMD切割产生活性片段GSDMD-NT，最终导致细胞膜穿孔肿胀、细胞破裂，并释放ATP、LDH等促炎细胞内容物。值得注意的是，GSDMD-NT不仅是破坏细胞膜的“打孔器“，更是一把”双刃剑”——它还能靶向线粒体内膜的心磷脂，导致线粒体膜电位丧失（JC-1染色证实）和结构损伤。在这一损伤过程中，线粒体DNA（mtDNA）从线粒体泄漏至胞质，作为典型的损伤相关分子模式（DAMPs），它是cGAS-STING通路的强效激活剂，可被cGAS识别并启动STING信号级联，从而激活先天性免疫应答。此时，CRT和HMGB1的免疫荧光染色结果也充分证实，细胞焦亡与先天性免疫通路被同步激活。

综上所述，POM@CTT构建了一条“焦亡-损伤-免疫“的级联反应链：通过GSDMD-NT同时实现细胞膜穿孔和线粒体损伤，既直接杀死肿瘤细胞（焦亡），又通过mtDNA释放激活cGAS-STING先天性免疫通路，实现”一箭双雕”的抗肿瘤免疫效应。

图5 POM@CTT通过溶酶体功能障碍抑制自噬流及机制研究。（A）LC3II和（B）p62蛋白免疫荧光染色；（C）吖啶橙（AO）染色图像及（D）红色荧光强度统计；（E）线粒体-溶酶体共定位检测及（F）皮尔逊系数；（G-H）LC3II和p62免疫荧光染色的荧光强度统计及（I）POM@CTT阻断细胞内自噬通路示意图。比例尺=20 μm。分组：1. 对照组，2. POM，3. CTT，4. CTT(L)，5. POM@CT，6. POM@CTT，7. POM@CTT(L)。

研究团队敏锐地捕捉到一个关键矛盾：线粒体损伤虽是激活cGAS-STING通路的”火种”，但细胞自身会启动线粒体自噬这一”自救程序”来清除受损线粒体，从而阻断级联免疫反应。为打破这一”免疫沉默”困局，POM@CTT采取了”釜底抽薪”的策略——阻断自噬流。

实验证据呈现出看似矛盾的现象：细胞内自噬标志物LC3-II表达显著上调（表明自噬启动），但p62蛋白却大量累积（通常应在自噬过程中被降解）。这明确指示自噬流被阻断，细胞内的”垃圾清理系统”在”装货”环节正常，但”运输-降解”环节瘫痪。这种”堵截”策略的战略意义在于：强制保留受损线粒体及其释放的mtDNA，确保cGAS-STING通路持续激活，维持强烈的免疫原性。进一步的吖啶橙（AO）染色和线粒体-溶酶体共定位实验揭示了阻断的源头——POM@CTT破坏了溶酶体的酸化环境，导致这一“细胞回收站”功能丧失。受损线粒体无法被溶酶体降解清除，从而持续释放mtDNA，为先天免疫激活提供源源不断的”燃料”。

简言之，POM@CTT通过”制造损伤”（焦亡）+“阻止修复”（阻断自噬）的组合，确保抗肿瘤免疫反应从”瞬时火花”转化为”持续烈焰”。

图6 体内抗肿瘤疗效评价及机制验证。（A）尾静脉注射后不同时间点小鼠活体荧光成像；（B）注射后24 h主要脏器荧光成像；（C）体内抗肿瘤治疗方案示意图；（D）治疗期间肿瘤生长曲线；（E）治疗结束时各组肿瘤重量；（F）各组剥离肿瘤照片及（G）治疗期间小鼠体重变化；治疗结束时肿瘤组织免疫荧光染色：（H）CRT、HMGB1和CD8，（I）NLRP3、Caspase-1和GSDMD，（J）LC3和p62；免疫组化染色：（K）TNF-α、IL-1β和IL-6，（L）p-STING。比例尺=50 μm。分组：1. 对照组，2. 对照组(L)，3. CTT，4. CTT(L)，5. POM，6. POM@CT，7. POM@CTT，8. POM@CTT(L)。

进入体内验证阶段，研究团队首先利用小动物活体成像技术确定了尾静脉注射后的最佳光照时间窗，确保光动力治疗（PDT）与药物释放达到时空同步。

随后，在荷瘤小鼠模型上的疗效评价显示，POM@CTT展现出卓越的肿瘤抑制能力，肿瘤生长曲线被显著压制，且小鼠体重保持稳定，证实其良好的生物安全性。更为关键的是，肿瘤组织切片的免疫荧光与免疫组化分析从分子层面证实了POM@CTT的机制：焦亡标志性蛋白（NLRP3、Caspase-1、GSDMD）高表达，自噬阻断标志物（p62）累积，免疫激活指标（CRT、HMGB1、CD8⁺ T细胞浸润）显著上调，cGAS-STING通路关键蛋白（p-STING）及促炎因子（TNF-α、IL-1β、IL-6）均呈现强烈阳性。

这些结果强有力地指出POM@CTT通过“细胞焦亡-自噬阻断-免疫激活“的互作网络在体内引发强大而持久的抗肿瘤免疫应答，实现了从分子机制到动物疗效的完整闭环验证。

图7 POM@CTT联合αPD-L1免疫疗法抑制双侧肿瘤。（A）双侧肿瘤模型建立及治疗策略示意图；（B）双侧肿瘤模型建立及治疗方案流程图；（C）原发肿瘤和（D）远处肿瘤生长曲线；流式细胞术分析：（E）脾脏和（F）原发肿瘤组织中成熟DCs，以及（G）原发肿瘤中CD8+ T细胞；（H）原发肿瘤中FOXP3免疫荧光染色，（I）远处肿瘤中CD8+、CD4⁺和FOXP3⁺细胞；相应定量结果：（J）脾脏DCs，（K）原发肿瘤DCs，（L）原发肿瘤CD8+T细胞，（M）生存曲线。分组：1. 对照组，2. POM，3. POM@CTT(L)，4. POM@CTT(L)+αPD-L1。

基于前述"POM@CTT可将'冷肿瘤'转化为'热肿瘤'"的发现，研究团队进一步提出科学假设：联合免疫检查点阻断疗法能否产生"1+1>2"的协同效应？

为此，研究者构建了双侧肿瘤模型（一侧为原发肿瘤，另一侧模拟远处继发肿瘤），系统评估POM@CTT(L)联合抗PD-L1抗体（αPD-L1）的全身性抗肿瘤效果。疗效层面，这种"光动力-焦亡-免疫检查点"三联策略展现出惊人的远隔效应：不仅能够强效抑制原发肿瘤生长，更能通过激活系统性免疫应答，显著遏制远处未照射肿瘤（继发肿瘤）的增殖，并显著延长荷瘤小鼠的生存周期。机制层面，肿瘤组织及脾脏的流式细胞术分析揭示了免疫微环境的重塑：联合治疗显著促进了树突状细胞（DCs）成熟和细胞毒性T细胞（CD8⁺ T细胞）向肿瘤组织的浸润，同时有效降低了免疫抑制性调节性T细胞（Tregs，FOXP3+）的比例。

简而言之，POM@CTT(L)通过“细胞焦亡-自噬阻断-免疫激活“的互作网络激活抗肿瘤免疫应答踩下疫油门，而αPD-L1通过阻断PD-1/PD-L1轴解除免疫刹车，二者"里应外合"，最终实现对原发及继发肿瘤的高效清除。

【全文小结】

1.靶点发现与验证：本研究通过转录组学、分子对接及分子动力学模拟，系统阐明了钴取代的多金属氧酸盐（Co-POM）诱导细胞焦亡的潜能及其特异性作用靶点。

2.智能纳米体系构建：研究团队设计了一种负载POM、兼具线粒体靶向与ROS响应特性的胶束载药系统（POM@CTT），并整合光敏剂Ce6用于光动力治疗（PDT），以实现精准抗肿瘤免疫治疗。

3.级联免疫激活：机制上，POM通过激活NLRP3触发级联免疫反应，诱导细胞焦亡并促进线粒体DNA（mtDNA）释放，进而激活cGAS-STING通路；同时破坏溶酶体完整性以阻断自噬通量，增强mtDNA蓄积及后续免疫刺激效应。

4.强效抗肿瘤效应与联合治疗优势：上述级联机制能够有效促进CD8⁺ T细胞广泛浸润肿瘤组织，诱导损伤相关分子模式（DAMPs）释放；POM@CTT（L）与抗PD-L1抗体（αPD-L1）联合应用时，更能强效抑制原位肿瘤及远处转移瘤的生长，并显著延长模型小鼠的生存期。

【作者简介】

王静，教授，博士生导师，河北医科大学药学院副院长，河北创新药物研究与评价重点实验室主任。研究方向聚焦纳米材料的生物应用，主持国家自然科学基金2项、中国博士后基金、河北省“高校百名创新人才”支持计划项目、河北省自然科学基金多项、河北省科技厅重大支撑课题、河北省“生物医药联合基金”和“精准医学联合基金”重点项目等多项课题。获河北省科技进步二等奖一项、三等奖一项。以通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Bioact. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, Food Chem., Anal. Chem., Sens. Actuators, B等国内外学术期刊上发表论文40余篇。

张默，河北医科大学药学院，副教授，硕士生导师。2022年毕业于北京理工大学，师从吕红金教授。目前主要从事多酸基纳米材料的生物应用相关研究，主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后基金（站中特别资助和面上资助）、河北省优秀青年基金、河北省高等学校科学技术青年拔尖项目以及河北省博士后择优资助项目。入选2024年全球前2%顶尖科学家，以第一作者/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.; Bioact. Mater.; ACS Catal.等国内外学术期刊上发表论文30余篇。