研究简介:结直肠癌是全球发病率第三、死亡率第二的消化道恶性肿瘤，现有手术、放化疗方案副作用大、预后差。近年研究发现，结直肠癌微环境中硫化氢（H₂S）选择性上调，通过促增殖、抑凋亡驱动肿瘤进展，为重要治疗靶点，但传统靶向H₂S合成限速酶CBS的抑制剂存在脱靶效应，直接清除内源性H₂S是更优策略。本研究首先通过Unisense H₂S微传感器定量证实，结直肠癌患者癌组织、HCT116/CT26等结直肠癌细胞系的H₂S含量较正常结直肠黏膜及非结直肠癌细胞显著升高，且CBS在癌组织中明显上调；使用CBS抑制剂AOAA阻断H₂S生成可有效抑制癌细胞增殖，明确了靶点的合理性。团队依托氧化锌优异的脱硫特性，以病毒样介孔二氧化硅为模板原位沉积氧化锌壳层，制备出平均粒径203 nm的VZnO纳米球，其与H₂S发生反应，XRD、UV-vis表征证实反应后氧化锌晶相消失、生成硫化锌，具备高效H₂S清除能力。机制研究显示，VZnO清除H₂S后可显著降低细胞内谷胱甘肽（GSH）水平，导致谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）失活，脂质过氧化物无法代谢，最终诱导铁死亡：细胞实验中VZnO联合铁剂处理后，活性氧、脂质氧化水平显著升高，线粒体出现嵴减少/消失的典型铁死亡形态，铁死亡标志物NOX1、COX2、TFR1上调、GPX4下调，转录组分析进一步证实GGCT、RRM1/RRM2等谷胱甘肽代谢相关基因表达下调，完善了机制链条。


Unisense硫化氢微电极的应用


研究依托Unisense H₂S微电极的高灵敏度与微米级空间分辨率优势，实现了从临床靶点确证到体内外疗效验证的全链条定量支撑。该设备作为克拉克型安培传感器，凭借μm级尖端直径与0.3 μM的检测限，精准解决了内源性H₂S这类气态信号分子在复杂生物样本中难以准确定量的技术难点。研究团队首先利用该电极直接测定结直肠癌患者配对的肿瘤组织、癌旁及正常黏膜中的H₂S含量，同时对比多种结直肠癌细胞与非结直肠癌细胞系的H₂S水平，在临床样本和细胞层面系统证实了结直肠癌中H₂S的特异性过量表达，为靶向H₂S的治疗策略奠定了核心前提。在材料性能验证阶段，研究人员以NaHS模拟内源性H₂S，通过Unisense微电极动态监测不同浓度VZnO处理后的H₂S残留量，量化了材料的H₂S清除效率，并直接检测VZnO处理后的细胞内H₂S水平，证实其可有效穿透细胞膜降低胞内H₂S浓度。在动物实验环节，团队进一步取VZnO处理后的荷瘤小鼠肿瘤组织匀浆，通过微电极测定瘤内H₂S残留，从活体层面验证了VZnO对肿瘤微环境H₂S的清除效果。该设备提供的"临床组织—细胞模型—活体瘤体"三级定量数据，与CBS表达分析、细胞增殖实验、铁死亡标志物检测相互印证，完整支撑起"结直肠癌H₂S高表达是可行治疗靶点→VZnO可高效清除H₂S→H₂S耗竭通过谷胱甘肽代谢通路诱导铁死亡"的核心逻辑链，同时也为VZnO仅对高H₂S的结直肠癌有效、对低H₂S的乳腺癌模型无响应的治疗选择性提供了关键量化依据，成为研究结论可靠性的重要技术保障。


实验结论


本研究通过临床样本检测、细胞及动物实验系统证实，结直肠癌组织及细胞中H₂S合成关键酶CBS显著上调，内源性H₂S过量产生是驱动肿瘤进展的可干预靶点；所构建的病毒样二氧化硅包覆氧化锌（VZnO）纳米球可通过ZnO与H₂S的特征反应生成ZnS，高效清除肿瘤微环境及胞内H₂S，H₂S清除能力明确；机制层面，VZnO介导的H₂S耗竭可显著降低细胞内谷胱甘肽（GSH）水平，抑制谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）活性，诱发脂质过氧化物累积及线粒体嵴减少/消失的典型铁死亡形态改变，伴随NOX1、COX2、TFR1等铁死亡正向调控蛋白上调、GPX4下调，转录组分析进一步证实谷胱甘肽代谢通路关键基因GGCT、RRM1/RRM2表达受抑，完整阐明了"H₂S清除-谷胱甘肽耗竭-铁死亡激活"的作用机制；体内实验中VZnO可通过EPR效应在结直肠癌病灶特异性富集，联合铁剂可显著抑制原位结直肠癌模型肿瘤生长，且因依赖H₂S水平而对低H₂S表达的4T1乳腺癌模型无显著抗肿瘤作用，具备良好的肿瘤选择性；毒理学评估显示治疗剂量下VZnO未引起小鼠体重异常、血常规及肝肾功能损伤或主要脏器病理性改变，生物安全性良好。该研究创新性地将H₂S清除与铁死亡诱导相结合用于结直肠癌治疗，为H₂S这一传统难成药靶点提供了可行的纳米转化路径，也为结直肠癌的精准治疗提供了新的策略与临床转化依据。