精选
IrMn-Cluster-Based Artificial Metalloenzymes with Radiosensitized Systemic Antitumor Responses to Prevent Malignaumor Metastasis and Recurrence
Ruidan Li, Qinlong Wen, Zhenyu Xing, Ting Wang, Jing Yang, Yunfeng Tao, Shengdong Mu, Shuang Li, Zhigong Wei, Chong Cheng*, Xingchen Peng*
Nano-Micro Letters (2027)19: 4
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02309-2
本文亮点
1. 电子转移，催化增效：展示了一种仿生设计的IrMn团簇的放射增敏型人造金属酶，其快速电子转移能力促进了富电子IrMn氧化还原中心的形成，从而显著增强放射催化产生活性氧(ROS)并持续生成O₂，有效改善肿瘤乏氧微环境，提升放疗效果。
2. 线粒体损伤，DNA修复阻断：该IrMn团簇的放射增敏型人造金属酶具备良好的肿瘤适应性和生物相容性，能精准诱导线粒体功能障碍，同时阻断肿瘤细胞DNA损伤修复通路，双重打击下促使肿瘤细胞发生强烈免疫原性死亡(ICD)，为后续全身免疫激活奠定基础。
3. 激活全身免疫，协同抗转移：基于IrMn团簇的放射增敏型人造金属酶的生物催化剂可系统性激活全身抗肿瘤免疫应答，逆转免疫抑制性肿瘤微环境，并与免疫检查点阻断疗法协同增效，最终实现强效肿瘤杀伤，并有效预防远处转移和术后复发。
研究背景
癌症仍是全球重大公共卫生负担。放疗通过产生活性氧(ROS)和引发DNA损伤发挥疗效，与免疫检查点阻断联用已在难治性、转移性患者中取得突破性进展。然而，肿瘤乏氧是导致放射耐药的核心因素——缺氧条件下辐射诱导的DNA自由基中间体无法被氧固定，严重削弱致死性双链断裂的形成；缓解乏氧则可恢复氧固定效应，增强放射敏感性。现有纳米放射增敏剂在肿瘤清除能力、全身免疫激活、生物降解性及长期安全性方面均存在不足。下一代增敏材料面临两大关键挑战：兼顾高生物相容性与可降解性的同时增强X射线能量沉积和ROS生成；显著提升ROS和O₂产量以克服乏氧耐药、降低剂量并触发全身抗肿瘤效应。目前人造过氧化物酶设计虽借助肿瘤微酸性和H₂O₂富集环境，但受限于多电子氧化还原过程的复杂性、活性中间体瞬变及氧物种脱附能垒，催化效率仍不理想，且其金属或无机骨架的长期安全性令人担忧。长期以来，如何实现同步解决材料安全性与放射催化效率的协同和局部治疗与全身免疫激活的联动这两大顽疾，是该领域的关键科学瓶颈。
内容简介
受天然锰基过氧化物酶和过氧化氢酶催化特征启发，四川大学华西医院彭星辰教授、高分子学院/先进高分子材料全国重点实验室程冲教授团队通过有机配位IrMn团簇构建了放射增敏型人造金属酶(IMM)，模拟天然酶活性中心，实现可逆催化循环以持续产生ROS和O₂。该材料围绕三大核心功能设计：(1)仿生电子转移增强放射催化产氧和ROS生成；(2)诱导线粒体功能障碍并阻断DNA修复，驱动免疫原性细胞死亡(ICD)；(3)激活全身抗肿瘤免疫，逆转抑制性微环境，并与免疫检查点阻断协同增效。实验表明，IMM联合放疗可缓解瘤内缺氧、促进肿瘤凋亡、将“冷肿瘤”转化为“热肿瘤”，联用抗PD-1后能引发远隔效应和持久免疫记忆，显著抑制转移复发并延长生存期；上述优势已在自发肺转移乳腺癌模型和放疗耐药患者来源异种移植(PDX)模型中得到验证，展现出对高侵袭性原发及转移性肿瘤的显著治疗潜力。
Scheme 1. IrMn团簇的放射增敏型人造金属酶实现全身抗肿瘤应答及防转移复发的示意图。
图文导读
I Ir中心富电子态：高效放射催化与多电子氧化还原反应
通过分步反应策略，以锰-有机配合物(MM)为前驱体，经吸附-交换-成核途径引入铱物种，成功构建了仿生IrMn团簇的放射增敏型人造金属酶(IMM)。结构表征表明，IMM呈尖刺状纳米形貌，超小Ir纳米簇(~1.5 nm)均匀锚定于MM表面，且Ir以金属态(Ir⁰)与氧化态(Ir⁴⁺)共存的形式部分氧化，平均氧化态为+1.58。XPS、XANES/EXAFS及DFT计算共同证实，富电子的MM配体向Ir簇中心发生显著的电子转移(约0.51 |e|)，使Ir位点电子密度升高，同时诱导Mn物种价态向高价态偏移(Mn⁴⁺/Mn²⁺比例由0.74升至1.03)。这种电子重新分布赋予Ir中心富电子特性，预期可有效促进氧相关中间体(如*OOH)的吸附与脱附，降低多电子转化能垒，从而加速类酶催化反应动力学，为后续放射增敏与免疫协同治疗提供了坚实的材料基础。
图1. IMM的合成与表征。
II 双功能类酶催化，进一步放大氧化应激效应
在模拟肿瘤微环境条件下，IMM展现出优异的类过氧化氢酶(CAT)活性和类过氧化物酶(POD)活性。通过DPA、HE探针及EPR光谱证实，IMM在H₂O₂存在下可高效生成¹O₂和•O₂⁻，而X射线辐照可进一步增强ROS产量。原位红外光谱捕获到OOH、OH和•O₂⁻等关键反应中间体。DFT计算表明，配体诱导的电子调控使Ir中心电子密度升高，将OOH吸附能优化至-1.59 eV，适度减弱吸附强度促进了中间体脱附，从而加速催化循环。机理上，OOH作为关键分叉中间体——既可经Russell机制转化为•O₂⁻/¹O₂并释放O₂，也可经类Fenton O–O键断裂路径生成•OH，共同构成了IMM的双功能ROS/O₂生成活性。上述结果确立了配体电子调控与双功能催化性能之间的构效关系，为IMM作为放射增敏剂提供了理论依据。
图2. ROS与O₂相关生物催化性能的检测。
III IMM通过缓解乏氧、增强ROS杀伤及阻断DNA修复，协同增敏放疗并诱导免疫原性死亡
在乏氧条件下，IMM联合X射线照射显著增强CT26结肠癌细胞的放射敏感性，提高肿瘤细胞凋亡率，并有效抑制肿瘤细胞迁移和克隆形成。机制上，IMM通过类CAT活性分解H₂O₂产O₂，有效缓解乏氧，同时IMM在X射线辐照下产生大量ROS，诱导线粒体功能障碍，两者协同增强DNA损伤并持续阻断DNA损伤修复。此外，该组合治疗促进DAMPs释放，包括ATP分泌增加、HMGB1核外排以及CRT膜表面暴露，诱导强烈免疫原性细胞死亡，为激活全身抗肿瘤免疫奠定基础。上述结果证实IMM兼具放疗增敏和免疫激活双重功能，显示出克服放射耐药并抑制肿瘤复发转移的潜力。
图3. 乏氧条件下IMM的体外抗肿瘤活性。
IV IMM联合放疗在体内有效抑制肿瘤生长，缓解乏氧并激活系统性抗肿瘤免疫
在CT26结肠癌荷瘤小鼠模型中，IMM联合X射线显著抑制肿瘤生长，H&E、TUNEL、γ-H2AX及Ki67染色共同证实肿瘤组织出现严重坏死、凋亡增加、DNA损伤增强及增殖减少。同时，联合治疗促进肿瘤血管正常化，显著下调HIF-1α表达，有效缓解瘤内乏氧。免疫学分析显示，RT+IMM组中CD8⁺CD69⁺活化T细胞、树突状细胞(DCs)比例显著升高，且肿瘤引流淋巴结中DCs和CD8⁺T细胞增殖增加，表明该治疗可激发系统性抗肿瘤免疫应答。此外，RT+IMM组CD8⁺PD-1⁺T细胞比例显著上调，提示免疫检查点处于暴露状态，为后续联合抗PD-1治疗提供了明确依据。血液生化分析及主要器官组织学检测均证实IMM具有良好的体内生物安全性。
图4. IMM联合放疗抑制肿瘤进展。
V IMM在肿瘤部位有效富集并逐步清除，全身蓄积低，安全性良好
CT三维重建显示IMM在瘤内注射后稳定分布于肿瘤部位，并在治疗窗口期内随时间逐渐清除，确保有效放射增敏的同时减少长期蓄积风险。ICP-MS定量分析表明，铱元素在肝脏中富集最高，粪便是主要排泄途径(肝胆系统主导)，肾脏为次要清除路径；其他主要器官(心、脾、肺)及外周血中铱蓄积极少，证实IMM具有良好的体内分布特性和系统安全性。
图5. IMM的体内分布与代谢。
VI IMM联合放疗重塑肿瘤免疫微环境，促进抗肿瘤免疫应答
转录组学分析显示，IMM联合放疗后肿瘤组织中共鉴定出1124个差异表达基因(592个上调、532个下调)。GO和KEGG富集分析表明，差异基因显著富集于免疫相关通路。免疫相关基因表达谱显示，多数免疫激活基因显著上调，而免疫抑制相关基因SOCS2呈下调趋势；同时血清中TNF-α、IL-6、IFN-γ和IFN-β水平显著升高，证实治疗促进了促炎免疫微环境的形成。GSEA进一步揭示，凋亡、抗原加工呈递、NK细胞介导的细胞毒性和T细胞受体信号通路均显著上调，从转录层面系统证明了IMM联合放疗可有效激活抗肿瘤免疫应答。
图6. IMM联合放疗重塑肿瘤微环境。
VII IMM联合放疗与抗PD-1协同激活远隔效应，诱导持久抗肿瘤免疫记忆，有效抑制远端转移与复发
在双侧CT26荷瘤模型中，IMM联合放疗与抗PD-1治疗不仅显著抑制原发肿瘤生长，还有效遏制远端未照射肿瘤的进展，证实了远隔效应的成功激活。H&E和TUNEL染色进一步验证了原发与远端肿瘤均出现明显坏死和凋亡。脾脏免疫分析显示，联合治疗显著促进CD45⁺免疫细胞、CD3⁺T细胞、树突状细胞(DCs)及CD8⁺CD69⁺活化T细胞、中央记忆T细胞(Tcms)和效应记忆T细胞(Tems)的增殖。在90天肿瘤再挑战实验中，联合治疗组小鼠完全抵抗二次肿瘤接种，而对照组快速成瘤，证实了持久抗肿瘤免疫记忆的建立。Tcms和Tems在CD4⁺和CD8⁺细胞中均显著升高，为长期免疫保护提供了有力证据。各治疗组小鼠体重稳定，主要器官未见异常，表明该联合治疗方案安全性良好。
图7. IMM联合放疗与抗PD-1增强远隔效应，诱导强效抗肿瘤免疫记忆。
VIII IMM联合放疗在放疗耐药PDX模型和自发转移乳腺癌模型中显著抑制肿瘤生长和转移
在放疗耐药的人源头颈肿瘤PDX模型中，IMM联合放疗显著抑制肿瘤生长。TUNEL凋亡信号增强、Ki67增殖降低、γ-H2AX DNA损伤升高，证实IMM有效逆转放疗耐药。在自发肺转移4T1乳腺癌模型中，IMM联合放疗不仅实现肿瘤完全消退，且在30天观察期内持续有效；CT及肺组织H&E染色显示，对照组和单独放疗组均出现明显肺转移灶，而联合治疗组未见任何转移迹象，证实IMM联合放疗可有效抑制肿瘤远处转移。上述结果在两种临床相关模型中一致验证了IMM联合放疗策略的普适性和临床转化潜力。
图8. IMM联合放疗在人源化PDX模型及4T1自发转移乳腺癌模型中的疗效评估。
IX 总结
本研究报道了一种基于IrMn簇氧化还原中心的生物催化与放射增敏型人造金属酶的从头设计，用于根除原发性和转移性肿瘤。研究表明，IMM具有高效的电子转移能力和富集的Ir催化中心，能够大量产生ROS、抑制DNA修复并触发强烈的细胞凋亡。同时，IMM通过产O₂缓解肿瘤乏氧，增强癌细胞对X射线辐照的敏感性。因此，这种兼具生物相容性和生物可降解性的金属-有机复合物能够提高放射敏感性并重塑肿瘤微环境，从而产生强效抗肿瘤效果。IMM联合放疗可诱导肿瘤细胞发生强烈的免疫原性细胞死亡，释放DAMPs，进而招募并激活肿瘤局部的效应免疫细胞。值得注意的是，在抗PD-1疗法存在下，IMM可放大全身抗肿瘤免疫应答，实现局部和远端肿瘤病灶的双重抑制，同时降低复发风险。此外，IMM的治疗优势已在源于放疗耐药患者的PDX模型及自发肺转移乳腺癌动物模型中得以验证，进一步巩固了该策略的广泛临床适用性。这些基础性见解将推动此类疗法从实验室向临床转化，通过物理化学原理与生物学原理的深度融合，最终实现精准肿瘤治疗的范式转变。
作者简介
程冲
本文通讯作者
四川大学 教授
▍主要研究领域
高分子人造酶与仿生催化材料的精确构筑、机器学习开发及在纳米医药、组织工程、仿生合成、能源催化等领域的应用开发，特别是基于新型配位聚合物、共轭有机框架等的催化特性、微纳米结构、人造酶功能设计及临床重大疾病治疗等。
▍主要研究成果
亥姆霍兹海岸研究中心表面科学研究所电化学与大数据团队博士研究生，从事镁基能源与防护材料研究。其工作聚焦镁阳极的自腐蚀、放电产物与界面失活机制，并将局部电化学、阻抗谱、同步辐射断层成像等方法用于电解液添加剂和金属阳极的协同优化。教授，博导，四川省特聘专家，先进高分子材料全国重点实验室固定人员，华西口腔医院双聘教授，洪堡学者。主要研究方向为高分子人造酶医学材料。主持国家青年科学基金项目(A类，原国家杰出青年科学基金项目)、基金委国际(地区)合作研究项目及面上项目、国家重点研发计划等项目10余项。以第一和通讯作者在Nat. Mater.(1篇)、Nat. Synth.(1篇)、Chem. Rev.(1篇)、Chem. Soc. Rev.(1篇)、Nat. Commun.(14篇)、Sci. Adv.(1篇)、J. Am. Chem. Soc.(8篇)、Adv. Mater.(30篇)、Angew. Chem.(10篇)、Cell Biomater.(3篇)、Mater. Today(1篇)、Nano Today(1篇)、ACS Nano(7篇)、Nano Lett.(3篇)、Adv. Funct. Mater.(23篇)等国内外高水平期刊上发表论文200余篇，共发表论文近300篇，总引用15000余次，H-index为65，其中15篇入选ESI高被引，25篇封面论文。在申及授权中国发明专利50项，欧洲专利1项及PCT专利2项，并参编英文著作2章。荣获教育部科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖，四川省科学技术进步奖一等奖/二等奖等奖励。
▍Email：chong.cheng@scu.edu.cn
彭星辰
本文通讯作者
四川大学华西医院 教授
▍主要研究领域
聚焦放疗抵抗、正常组织损伤及肿瘤远处转移三大临床难题，致力于从基础机制解析到临床转化的全链条研究，涵盖放射增敏剂研发、闪光放疗平台构建及免疫治疗联合策略等。
▍主要研究成果
教育部青年长江学者，四川省万人计划科技领军人才,医学博士，教授，博士生导师，博士后合作导师。近5年以第一/通讯作者在J. Clin. Oncol (2篇)、Sci. Adv.、Nat. Commun. (4篇)、STTT 、JITC、Angew 等期刊发表高水平论文100余篇。主持国家自然科学基金 4 项(重点项目1项)，四大慢病重大专项1项，十三五重点研发计划1项。研究成果荣获2024年中国医药生物技术十大进展、全国颠覆性技术创新大赛金奖、四川省科技进步二等奖、四川省十大科技进展等。
▍Email：pxx2014@scu.edu.cn
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自纳微快报科学网博客。
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