“我们此次研发的面向非肿瘤细胞的代谢疗法，可以大大增强一线化疗药物的疗效，预计会更广泛地出现在癌症联合治疗方案中。”上海交通大学研究员宋海云表示。
在近期一项研究中，他和合作者采用基于纳米粒子靶向递药的策略，在提高药物精准递送效率、延长药物作用时效、减少给药剂量、减轻药物副作用上，都具有积极意义和良好的应用价值。
图 | 宋海云（来源：宋海云）
众所周知，化疗是恶性肿瘤常用的治疗手段。但是，肿瘤患者在接受反复化疗之后，往往会逐渐失去对于化疗药物的响应性。一直以来，肿瘤的化疗耐药性都是癌症治疗的瓶颈问题。
这种现象与癌症干细胞（cancer stem cell，CSC）的耐药性密切相关。由于化疗药物不能有效杀死癌症干细胞，在接受化疗的残余肿瘤组织中，癌症干细胞的比例会出现上调。
相应地，在经历多次化疗之后，肿瘤会诱导癌症干细胞的富集，从而产生广谱的化疗药物耐受性。因此，通过靶向癌症干细胞，并将其转为对化疗药物敏感的普通肿瘤细胞，是提高化疗效果的一种新的潜在方式。
然而，直接靶向癌症干细胞递药的方式，依旧面临一些困难：
一方面，对于不同类型肿瘤的干细胞来说，它们缺乏统一的位于细胞表面的特异性标志物，在这种情况下很难针对不同的癌症干细胞来设计广泛适用的靶向策略。
另一方面，癌症干细胞生活在干细胞巢的屏障之中，直接向癌症干细胞递药往往存在效率不高的缺点。
（来源：Advanced Materials）
研发纳米粒子靶向递药新策略
鉴于此，宋海云课题组此前曾将目标瞄向构成肿瘤干细胞巢的主要细胞类型：癌症相关成纤维细胞（cancer-associated fibroblast, CAF）。
CAF，是肿瘤细胞诱导基质细胞形成的一种活跃型成纤维细胞，对于肿瘤发展起着关键促进作用。它可以形成物理屏障从而阻碍药物渗透。
对内，CAF 能分泌白介素 6（IL-6）和白介素 8（IL-8），从而维持癌症干细胞的活性；对外，CAF 能分泌各种趋化因子，从而招募免疫抑制性细胞比如髓源性抑制细胞和调节性 T 细胞，进而协助肿瘤的免疫逃逸。
考虑到直接杀死 CAF 会增加癌症干细胞转移的风险，因此通过重编程的方式，来让活跃的 CAF 进入静息状态，可能是诱导癌症干细胞失去活性的一种理想选择。
基于以上思路，课题组设计了两种纳米粒子（称为双子纳米粒子），它们在形态和大小上都很相似，可以分别靶向 CAF 和肿瘤细胞传递药物。
那些进入 CAF 的纳米粒子，可以通过干预异常的维生素 B3（VB3）代谢，来引起染色质上甲基化和去乙酰化修饰的重塑，从而将 CAF 转变为静息的基质细胞，进一步诱导癌症干细胞分化为肿瘤细胞，从而对化疗药物产生敏感性。
由于靶向肿瘤细胞的纳米粒子携有化疗药物，故能有效清除原有的肿瘤细胞、以及由癌症干细胞转变的肿瘤细胞。
借助双子纳米粒子的协同作用，可以实现肿瘤的完全消退并实现肿瘤复发的长期预防。在治疗对一线化疗药物具备耐药性的乳腺癌小鼠、肝癌小鼠、胰腺癌小鼠、以及结直肠癌小鼠的过程中，这种双管齐下的方式均取得非常好的疗效，因此这种肿瘤治疗策略具有广泛的适用性。
烟酰胺 N-甲基转移酶（NNMT，nicotinamide N-methyltransferase）是一种代谢酶，它在肿瘤组织的基质细胞中呈现高表达的状态，这会导致 VB3 代谢的异常。
而该团队针对烟酰胺 N-甲基转移酶进行了靶向干预，借助 VB3 代谢的重编程，让原本可以促进肿瘤耐药的 CAF 转变为“正常”的基质细胞，从而让化疗耐药型肿瘤转变为化疗敏感型肿瘤。
（来源：Advanced Materials）
更有效的癌症干细胞调控方案
据介绍，在该课题组此前的一项工作里，他们利用在肿瘤局部释放的表观遗传调控药物，来对化疗耐药性肿瘤中的癌症干细胞进行诱导，借此分化成不耐药的普通肿瘤细胞，再使用化疗药物进行联合治疗[1]。
尽管上述方案可以很好地抑制肿瘤生长，但只能在大约一半的小鼠中观察到肿瘤的完全消退，这说明药物到达肿瘤部位之后，很难高效地通过癌症干细胞周围的屏障。
因此，他们希望开发一个更加有效的调控癌症干细胞的方案，于是展开了本次研究。
通过大量的文献调研，再结合一些先导实验，课题组打算通过代谢重编程来改造 CAF，进而诱导癌症干细胞分化。这一策略被他们称之为“隔山打牛”法。
为了实现药物的精准递送，他们分别合成了靶向 CAF 或肿瘤细胞的纳米粒子，并测试了它们的靶向能力、药物装载能力和药物释放动力学。
与此同时，针对接种肿瘤细胞的小鼠，该团队多次使用一线化疗药物来进行治疗，借此分别诱导出对抗癌药“表柔比星”耐受的三阴性乳腺肿瘤、对抗癌药“索拉非尼”耐受的肝细胞肿瘤、对“吉西他滨”耐受的胰腺导管肿瘤、以及对“5-氟尿嘧啶”耐受的结直肠肿瘤。
其发现对于这些肿瘤细胞来说，它们能被继续接种到下一代小鼠上，并维持对于化疗药物的抗性。
随后，借助细胞实验和体内肿瘤模型，针对纳米粒子进入 CAF 之后对于 VB3 代谢通路的调控效果，该团队进行了检验。
针对由此引发的 CAF 在细胞形态、表面标志物和各种细胞因子分泌能力等方面的改变，课题组也予以检验。
对于肿瘤内癌症干细胞、以及各种免疫细胞来说，经历 CAF 的重编程之后，它们在数量和功能上是否会发生变化？对于这一问题，该团队也进行了探究。
此外，那些靶向肿瘤细胞的纳米粒子，会带来怎样的体内治疗效果？研究人员也进行了详细探索。
而对于共递送双子纳米粒子来说，还需要检测它们在治疗耐药性三阴性乳腺肿瘤、以及治疗非耐药性三阴性乳腺肿瘤的疗效。
为此，课题组在肿瘤消退之前，针对瘤内癌症干细胞和各种免疫细胞的变化进行观测。而在治疗完成之后，则主要检查是否会对小鼠主要器官产生副作用。
在小鼠已被治愈一段时间之后，该团队再次向小鼠接种肿瘤细胞，借此检验本次治疗手段能否诱导长期的抗肿瘤免疫记忆。
最后，对于其它三种化疗耐药性肿瘤的治疗效果，研究人员也进行了检测分析，借此确认本次方法具有广泛的适用性。
对于本次工作来说，要使用的肿瘤数目非常之多。在分析肿瘤组织中的各种细胞类型时，是该团队耗时巨长的一个环节。
哪怕只是针对一批样品做实验，通常就要连续操作几天。往往是从清早开始，一直忙到半夜一两点结束。据宋海云回忆：“为了克服熬夜对于皮肤健康的危害，实验室的女同学在等待机器分选细胞的漫长时间里，纷纷敷上面膜并拍照留念。”
正是大家不分日夜的努力，成就了上述成果。最终，相关论文以《靶向重新编程维生素 B3 代谢作为化疗耐药癌症的纳米治疗策略》（Targeted Reprogramming of Vitamin B3 Metabolism as a Nanotherapeutic Strategy towards Chemoresistant Cancers）为题发在 Advanced Materials[2]。
上海交通大学郭道霞博士生和季晓媛副研究员是共同一作，宋海云、季晓媛、以及同校的樊春海院士和王慧教授担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）
另据悉，肿瘤细胞具有让周围细胞“黑化”进而“助纣为虐”的能力，即它不仅自己会展现出较高程度的代谢异常，还会诱导周围的基质细胞和免疫细胞，让后者发展出异常的代谢模式，进而使它们丧失原有的抗肿瘤能力，导致肿瘤进一步恶化。
针对此，面向肿瘤组织中的基质细胞和免疫细胞，该课题组将发展更加高效的精准代谢疗法，通过代谢重编程的方式，恢复这些细胞的原有功能，从而克服肿瘤对于化疗、放疗和免疫疗法的抗性。
公开资料显示，回国之前的宋海云，曾在国外读博和做博士后研究。其表示：“ 我于 1999 年赴美（加州大学洛杉矶分校）读博，并于 2005 年初赴瑞士（苏黎世大学）做博士后至 2010 年初。”
他继续说道：“在此期间，我感受到我们国家令人惊叹的发展速度。未来，不必羡慕西方的环境和条件，因为我们在许多方面拥有快速赶上或超越西方的潜力，同时对于科学研究和科研人员的支持也在持续增长。我很高兴我的判断是正确的。”
参考资料：
1.Ji X, et.al., Advanced Materials, 2021, doi: 10.1002/adma.202100949
2.Guo, D., Ji, X., Xie, H., Ma, J., Xu, C., Zhou, Y., ... & Song, H. Targeted Reprogramming of Vitamin B3 Metabolism as a Nanotherapeutic Strategy towards Chemoresistant Cancers. Advanced Materials,2301257.