Advanced Materials | 光合作用纳米细菌驱动代谢免疫协同作用，用于抗缺氧癌症治疗

光动力疗法（PDT）是一种有前景的癌症治疗方法，但其疗效常因肿瘤缺氧和免疫激活有限而受损。我们开发了一种多功能光合作用纳米平台（PnanoCB），源自微囊虫韦森伯格氏菌，旨在缓解缺氧、增强活性氧（ROS）介导的肿瘤细胞杀死，并激活抗肿瘤免疫。蓝藻被重构为源自原生质体的囊泡，保留光合作用能力和叶绿素，并通过 pH 敏感 pH 低插入肽（pHLIP）连接剂实现基质金属蛋白酶-2（MMP-2）可切割抗 PD-L1 肽，用于肿瘤靶向免疫检查点阻断。红光照射后，PnanoCB 高效原位生成氧气，克服缺氧，显著增强 PDT 诱导的 ROS 产生。将 PnanoCB 与禁食模拟饮食（FMD）结合，进一步改善肿瘤积累和治疗效果。PnanoCB、光照照射和口蹄疫的结合在 4T1 乳腺癌模型中实现了最强的肿瘤抑制，并在再挑战模型中有效防止肿瘤复发，且对主要器官无明显毒性。总体而言，PnanoCB 显著缓解缺氧，促进免疫原性细胞死亡，并通过刺激干扰素基因（STING）途径激活，激活强健的树突状细胞（DC）成熟。本研究展示了结合光合作用氧气生成、光动力免疫疗法和代谢干预的策略，以重塑肿瘤微环境并诱导强健的系统性抗肿瘤免疫。

该研究以题为“Photosynthetic Nanobacteria Drive Metabolic‐Immune Synergy for Hypoxia‐Resistant Cancer Therapy”发表在Advanced Materials上。

光合抗PD-L1纳米细菌的示意图，用于抑制肿瘤增殖并增强免疫反应。PnanoCB 具有进化的光合系统，能够高效产生氧气，并且天然富含叶绿素，可实现强大的活性氧（ROS）生成。这增强了肿瘤细胞的杀伤并诱导免疫原性细胞死亡（ICD），从而提高肿瘤的免疫原性。此外，PnanoCB 与饥饿介导疗法（FMD）的组合可通过激活 STING 信号通路促进树突状细胞成熟，进而强化抗肿瘤免疫并刺激效应 T 细胞活化。总体而言，PnanoCB 与 FMD 协同放大免疫原性光疗，有效增强抗肿瘤 T 细胞反应。

纳米蓝藻的合成与表征。(a) 纳米蓝藻（nanoCB）制备过程的示意图。通过pHLIPs并通过MMP-2可切割底物连接，将抗PD-L1肽偶联到nanoCB表面，从而生成PnanoCB。(b) 完整蓝藻（Microcystis wesenbergii）、原生质体、nanoCB和PnanoCB的透射电子显微镜（TEM）图像。比例尺：1 µm；插图显示膜和内部结构的细节（比例尺：100 nm）。(c) 在红光激光照射下，原生态蓝藻、原生质体、纯化的nanoCB和PnanoCB的代表性照片。蓝藻和原生质体沉降在管底，而nanoCB和PnanoCB表现出稳定分散和明显的丁达尔效应（红色箭头）。(d) 室温下通过动态光散射（DLS）测量的nanoCB和PnanoCB的粒径分布曲线。(e) PnanoCB的激发和发射光谱。(f) 蓝藻、nanoCB和PnanoCB在白光或红光照射下的产氧情况。RL：红光，WL：白光。(g) PnanoCB在正常氧条件和低氧条件下的增氧性能。(h) PnanoCB在有无MMP-2存在下孵育后，上清液的荧光强度，显示酶响应肽的释放。f和g中的数据以平均值 ± 标准差表示（n = 3）。FMD和氧合增强PnanoCB介导的细胞毒性。(a) 共聚焦显微镜图像分析在正常或FMD条件下37°C孵育6小时的4T1肿瘤细胞与nanoCB或PnanoCB（红色荧光）。比例尺：50 µm。(b) 流式细胞术分析在正常或FMD条件下37°C孵育6小时的4T1肿瘤细胞与nanoCB或PnanoCB。(c) 使用DCFH-DA染色（绿色荧光）检测4T1细胞内ROS，处理为PnanoCB并进行红光照射后。比例尺：50 µm。(d) 对4T1细胞在指定条件下进行活/死染色。活细胞呈绿色；死细胞呈红色。比例尺：50 µm。(e) 使用Annexin V-FITC/PI染色，通过流式细胞术分析在指定处理后的凋亡细胞。(f) 在低氧（1% O2）和常氧条件下，处理PnanoCB的4T1肿瘤细胞的细胞活力。数据以均值±标准差表示（n=3）在a、b和f中。统计学显著性通过单因素方差分析评估（*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001）。

总结

这项研究开发了一种名为“PnanoCB”的光合纳米细菌平台，为解决肿瘤治疗中的两大难题——缺氧和免疫逃逸——提供了新思路。该平台来源于一种经过结构改造的蓝细菌，通过去除细胞壁和粘液层并重组为纳米级囊泡，不仅保留了光合作用和产氧能力，还大幅提升了生物相容性和肿瘤穿透性。研究团队在纳米细菌表面修饰了抗PD-L1免疫肽，并通过肿瘤微环境中高表达的MMP-2酶实现可控释放，精准解除肿瘤对T细胞的“刹车”作用。同时，结合模拟禁食饮食策略，进一步增强了纳米颗粒在肿瘤部位的富集效率。

在机制上，PnanoCB在光照下持续产生氧气，缓解肿瘤缺氧，同时生成大量活性氧直接杀伤肿瘤细胞并诱导免疫原性细胞死亡。更重要的是，它能激活树突状细胞中的STING信号通路，促进其成熟和抗原提呈，进而调动起强大的CD8+ T细胞免疫应答。在乳腺癌小鼠模型中，该组合疗法不仅显著抑制了原发肿瘤生长，还成功阻止了对侧再次接种的肿瘤形成，显示出系统性的免疫记忆效应。与天然蓝细菌相比，PnanoCB在体内仅引起轻微且短暂的炎症反应，未对主要器官造成明显损伤，整体安全性良好，为光动力与免疫协同治疗提供了一个高效且安全的新策略。

参考文献：

DOI: 10.1002/adma.72834