研究背景：

肿瘤微环境（TME）中的乳酸是影响免疫疗法的重要因素。乳酸抑制免疫细胞（如T细胞、巨噬细胞和树突状细胞）的增殖和活化，削弱其识别和消灭癌细胞的能力，限制免疫疗法的效果。此外，乳酸还促使免疫细胞分化为调节性T细胞（T regs），这些细胞通过抑制抗肿瘤免疫反应，使癌细胞逃避免疫系统。乳酸还促进肿瘤进展，包括刺激血管生成，为肿瘤提供营养和氧气，以及促进细胞外基质重塑，增加肿瘤侵袭和转移。

针对上述问题，天津大学医学院医学工程与转化医学研究院姬晓元教授团队研发了一种基于韦荣球菌（VA）的智能肿瘤治疗微型机器人，以彻底破坏高乳酸环境。该微型机器人首先采用水热法合成四价压电陶瓷材料BaTiO3（BTO）纳米立方体，然后将金黄色葡萄球菌膜（SAM）涂覆在其表面（SAM@BTO），不仅实现了肿瘤的主动靶向，还为将BTO修饰到VA表面提供了反应位点。接下来，利用经典的点击化学反应将SAM@BTO封装在VA细胞表面（VA-SAM@BTO），构建了肿瘤多向协同治疗平台。SAM的炎症靶向和VA细胞的厌氧靶向提供了肿瘤双靶向和肿瘤穿透的驱动力，口服后可精准靶向原位结直肠癌（CRC）并实现长效滞留和肿瘤穿透。在体外超声刺激下，BTO凭借高效的压电效应可同时催化两个还原反应（O2→•O2−和CO2→CO）和三个氧化反应（H2O →•OH，GSH→GSSG和乳酸→PA）。活性氧（ROS）和CO的增殖协同诱导肿瘤细胞免疫原性死亡并激活免疫反应。BTO催化VA细胞的氧化乳酸偶联代谢乳酸，彻底破坏高乳酸造成的免疫抑制微环境，有效改善DC细胞成熟和巨噬细胞M1极化，增加效应T细胞比例，减少Treg细胞数量。相关研究在2024年5月8日以“Biomimetic piezoelectric nanomaterial-modified oral microrobots for targeted catalytic and immunotherapy of colorectal cancer”为题发表于《Science Advances》 （DOI：10.1126/sciadv.adm9561 ）上。

图1 基于VA-SAM@BTO的结直肠癌口服靶向治疗生物混合机器人示意图

（1） VA-SAM@BTO材料性能和生物学性能

采用水热法合成的BTO成四方立方体，具有高度的结晶性，其晶面间距与钙钛矿晶体结构一致。鉴于金黄色葡萄球菌与结直肠癌炎症微环境之间的亲和性，该团队利用金黄色葡萄球菌细胞膜 (SAM) 包裹 BTO，以便靶向至结直肠癌肠道内的炎症部位。随后，该团队采用无铜点击化学方法，用SAM@BTO改性VA表面。SAM@BTO对VA进行功能化且不会对其的生存力和代谢活性产生负面影响。此外，SAM@BTO还增强VA对胃酸的耐受性并保持了其针对缺氧环境的能力。VA-SAM@BTO在不同的生理环境下具有良好的稳定性。这些结果表明VA-SAM@BTO可以承受胃肠道环境的挑战，为其作为口服药物递送系统在各种生物医学和治疗方法中的应用提供了广阔的潜力。  

图2 VA-SAM@BTO的表征

（2） VA-SAM@BTO催化性能及机理

BTO在超声作用下可发生自发极化，产生压电催化效应，不仅能将O2还原为•O2−、将CO2还原为CO，还能将H2O氧化为•OH、将GSH氧化为GSSG、将乳酸氧化为PA。此外，SAM涂层和VA连接对BTO的压电催化效率无明显影响。因此，BTO对超声辐照的敏感性反映了其在超声作用下高度可控的催化性能，使其成为SDT癌症治疗的有效声敏剂。

图3 VA-SAM@BTO的催化性能及机理 

（3） VA-SAM@BTO 的体外抗癌能力

SAM@BTO单独治疗没有表现出显著的细胞毒性，表明其具有良好的生物相容性。SAM@BTO + US组细胞凋亡率增加表明SDT相关细胞凋亡显著，而VA-SAM@BTO + US组肿瘤细胞凋亡率较高表明抗肿瘤效果更好。这些结果进一步验证了设计的VA-SAM@BTO生物混合系统能够在US反应中产生ROS和CO，有效消耗细胞内乳酸，促进肿瘤细胞凋亡，从而显示出显着的体外抗肿瘤杀伤作用。

图4 VA-SAM@BTO的生物相容性和细胞毒性

（4） VA-SAM@BTO体外免疫学效果

VA-SAM@BTO+US影响肿瘤细胞的乳酸代谢，降低肿瘤细胞中的乳酸水平，导致免疫原性细胞死亡，并促进巨噬细胞从M2亚型向M1亚型极化；促进DC细胞的成熟；破坏肿瘤细胞与Treg细胞之间的代谢共生关系，从而降低Treg细胞在肿瘤免疫中的屏障，增强效应T细胞的细胞毒性功能提高了效应T细胞的作用。

图5 VA-SAM@BTO的体外免疫活性

（5） VA-SAM@BTO的体内肿瘤靶向性和生物分布

该团队采用原位的CRC动物模型进行VA-SAM@BTO体内生物分布研究。结果显示主要器官（心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏）中的细菌逐渐减少。相反，肿瘤中的CFU值随时间迅速增加。这些发现表明VA-SAM@BTO 可以选择性地定植于肿瘤的缺氧、免疫抑制和生化独特的TME，且在小鼠体内具有良好的长期安全性。

图6 VA-SAM@BTO的体内靶向分布

（6） VA-SAM@BTO 的体内抗癌能力

考虑到VA-SAM@BTO+US在体外具有明显的癌细胞杀伤作用，该团队使用CT26-luc原位小鼠模型评估了其在体内的肿瘤抑制作用。VA-SAM@BTO+US在四次重复给药后表现出显著的肿瘤抑制潜力，基于细菌代谢和催化疗法设计的微生物机器人实现了显著的协同治疗效果。此外，接受VA-SAM@BTO+US治疗的小鼠的寿命明显长于其他组，所有小鼠的存活时间均超过30天。在治疗期间的各组小鼠的体重没有明显改变，证明VA-SAM@BTO具有良好的体内安全性。

图7 VA-SAM@BTO在超声照射下的体内抗肿瘤作用

（7） VA-SAM@BTO体内免疫效果

基于瘤内代谢组学分析及VA-SAM@BTO体内免疫学效应，该团队发现不同治疗组乳酸水平与肿瘤免疫抑制呈正相关，VA-SAM@BTO+US组肿瘤内乳酸消耗量最高，并破坏肿瘤TCA循环，导致代谢紊乱，该治疗方法达到最强的免疫激活效果，VA-SAM@BTO+US介导的催化协同免疫治疗可有效将“冷”CRC细胞转化为“热”TME，提示建立了有利于免疫治疗的免疫功能性TME。

图8 体内切片染色及免疫调节分析

（8） 肠道微生物群的丰富程度

肿瘤进展会影响肠道菌群的组成，反过来，肠道菌群可以塑造TME，从而影响抗肿瘤免疫反应。通过分析治疗小鼠和健康小鼠的粪便菌群，该团队证实了VA-SAM@BTO+US治疗对肠道菌群的调控作用，可能通过恢复肠道菌群的丰富度、增加有益细菌的比例和提高SCFA水平来改变肠道微环境并阻碍疾病进展。

图9 VA-SAM@BTO对肠道菌群的调节

（9）VA-SAM@BTO生物安全性评价

该团队过组织学检查、常规血液检查和血液生化分析对VA-SAM@BTO的生物安全性进行了评价，主要脏器的H&E染色切片中均观察到炎症损伤。实时定量聚合酶链式反应显示所有治疗组均未出现明显的炎症反应，从而证实了VA-SAM@BTO + US癌症疗法的生物安全性。

图10 VA-SAM@BTO的生物安全性评价

小结：

该团队利用VA独特的生理结构和代谢特性，开发出一种巧妙的策略，利用微型机器人治疗肿瘤。首先通过水热法合成了四方压电陶瓷材料BTO纳米立方体。为了增强其功能，在纳米立方体上涂覆了一层金黄色葡萄球菌膜（SAM@BTO）。这种涂层不仅可以主动靶向肿瘤，还可以为修改VA表面的BTO元素提供反应位点。通过经典的点击化学反应，该团队将SAM@BTO封装在VA细胞表面，形成VA-SAM@BTO。通过结合SAM的炎症靶向性和VA细胞的厌氧靶向性，口服后，该治疗平台可以准确靶向原位CRC，并能够长时间滞留和穿透肿瘤。在体外超声刺激下，BTO表现出有效的压电效应，使其能够同时催化两种还原反应（O2→•O2 −和CO2→CO）和三种氧化反应（H2O→•OH、GSH→GSSG和乳酸→PA）。这导致ROS和CO增殖，协同诱导肿瘤细胞中的免疫原性细胞死亡并激活免疫反应。BTO还催化VA细胞消耗乳酸 的乳酸氧化偶联，有效破坏高乳酸水平引起的免疫抑制微环境。因此，它增强了DC细胞成熟和巨噬细胞M1极化，增加了效应T细胞的比例，并减少了Treg细胞的数量。此外，生物混合机器人在体外和体内均表现出出色的生物安全性，表明它们具有实际应用和临床转化的潜力。总体而言，该团队的研究强调了开发的生物混合机器人用于靶向抗肿瘤治疗的有效性和安全性，为未来的治疗干预提供了一种有希望的方法。

原文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adm9561