Exploration | 高压氧调节肿瘤pH，赋能铜掺杂羟乙基淀粉偶联物抑制肿瘤干细胞

实体瘤的微环境酸化是肿瘤治疗的重要挑战。在实体瘤乏氧环境下，乏氧诱导因子1α（HIF-1α）的积累会促进碳酸酐酶9（CA9）的表达。CA9通过催化二氧化碳的可逆水合反应，与钠氢交换蛋白1（NHE1）、单羧酸转运体4（MCT4）、“Na⁺/HCO₃⁻共转运蛋白1（NBC）以及液泡型ATP酶（V-ATPase）协同调控质子外排，同时将碳酸氢根离子转运至细胞内，从而防止酸性代谢物蓄积以维持细胞内弱碱性的pH值（pHi），并诱导细胞外酸性pH值（pHe），这样的肿瘤pH环境可促进肿瘤干细胞（CSCs）存活及增殖。CSCs作为肿瘤复发、转移和治疗抵抗的主要诱因，在肿瘤异常酸性微环境中相较于普通肿瘤细胞展现出更强的CA9表达水平和生存优势。CA9介导的肿瘤pH失调通过多种机制促进肿瘤进展，包括诱导免疫抑制、降低细胞间黏附、增强肿瘤细胞增殖能力，以及促进CSCs的自我更新和干性。因此，调控肿瘤pH微环境在肿瘤治疗领域具有重要应用潜力。

文章内容

针对以上挑战，华中科技大学李子福教授课题组提出“高压氧（HBO）联合pH响应纳米颗粒”的创新策略，通过多机制协同实现肿瘤pH调节及CSCs靶向清除（图1）。HBO通过缓解肿瘤乏氧显著下调CA9、MCT4等pH调控蛋白，逆转肿瘤胞内碱化/胞外酸化，破坏CSCs生存优势。基于此机制，该团队设计、开发了pH响应性羟乙基淀粉-腙键-阿霉素-铜聚合物纳米颗粒（HHD-Cu NPs）。该纳米颗粒通过EPR效应靶向肿瘤，HBO预处理进一步增强其富集。在弱碱性胞外环境下，纳米结构保持稳定；进入酸化的肿瘤细胞后，腙键断裂释放阿霉素，同时Cu2⁺触发H₂O₂转化为高毒性羟基自由基（·OH），协同化疗与CDT效应。实验证实，HBO引发的胞内酸化显著增强药物释放效率，而胞外碱化减少正常组织毒性，形成“智能双控”抗肿瘤作用。

图1. HHD- Cu NPs的制备路线图及联合HBO的抗肿瘤示意图。

首先通过转录组分析对比了乏氧和经过HBO处理后的H22肝癌细胞的基因变化（图2）。结果显示，HBO通过抑制H22细胞乏氧，改善代谢方式，下调H22中CA9等pH调节基因的表达，而CA9也与肝癌患者的预后不良有关，这表明HBO可能具有调节肿瘤pH值和提高癌症治疗效果的潜力。

图 2. HBO克服肿瘤乏氧，抑制pH调节途径。

接下来制备了HHD-Cu NPs。HHD-Cu NPs具有出色的稳定性、pH响应释放能力和·OH诱导能力（图 3）。考虑到HBO会抑制pH调节基因的表达，HBO 可能会通过增加细胞内酸度来增强pH响应型HHD-Cu NPs的化疗和化学动力学效果。

图3. pH 响应型 HHD-Cu NPs 的制备与表征。

在细胞水平上进一步评估了治疗效果（图4）。HBO处理导致H22细胞中CA9等pH调节蛋白的转录和蛋白表达降低，导致pHi下降，从而增强了HHD-Cu NPs诱导的ROS生成，引发H22细胞凋亡。因此，HBO增强了HHD-Cu NPs对H22癌细胞的细胞毒性。

图4. HBO 可破坏缺氧状态并降低 pHi，从而增强对 H22 细胞的杀伤力。

对CSCs的抑制进行了系统性评价（图5）。HBO下调了pH调节机制的转录和蛋白表达，导致CSCs细胞内pH显著下降。因此，HBO和HHD-Cu NPs联合治疗可有效诱导ROS生成，有效抑制H22 CSCs，并显著降低其干性和自我更新能力。

图5. HBO 促进 HHD-Cu NPs 对 CSCs 的消除和干性抑制。

H22皮下肿瘤模型的抗肿瘤疗效实验证实（图6），HBO抑制了CA9等pH调节基因，调节了肿瘤的pH值，增强了HHD-Cu NPs的治疗效果。HHD-Cu NPs联合HBO能显著提高细胞内的ROS，诱导细胞凋亡，强力清除肿瘤细胞。

图6. HBO 与 HHD-Cu NPs 结合的抗肿瘤效果和机制

最后对肿瘤组织中CSCs的抑制进行了验证（图7）。HBO与HHD-Cu NPs联合使用可显著抑制H22皮下肿瘤细胞的干性和球形成能力。

图7. HBO 促进 HHD-Cu NPs 消除 H22 皮下肿瘤中的 CSCs。

总之，该团队证明了HBO是一种安全有效的肿瘤pH调控方法，并结合酸响应型HHD-Cu NPs，可在酸化肿瘤细胞和CSCs中实现高效DOX释放及Cu介导的CDT效应。此外，HBO能有效重塑肿瘤细胞外基质，促进HHD-Cu NPs在肿瘤组织的富集，并为其靶向深部CSCs创造通路。因此，HBO与HHD-Cu NPs的联合应用不仅能抑制肿瘤细胞，还可清除CSCs，展现出显著的抗肿瘤效果。本研究揭示了临床广泛应用的高压氧疗法的新功能，并建立了一种针对CSCs富集的乏氧实体瘤的新型治疗策略。

期刊简介

Exploration由河南大学、中国生物物理学会纳米生物学分会主办，Wiley出版集团出版发行，由梁兴杰研究员任主编，师冰洋教授任执行主编。期刊聚焦于学科交叉融合探索，跨界创新成果传播，旨在打造具有中国特色，立足国内、面向全球的顶级综合性国际学术期刊。期刊当前接受的稿件类型有：研究论文、通讯文章、综述文章、观点性文章、评论性文章等。

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