近日，范先群教授团队在开发肿瘤纳米诊疗试剂的研究中取得重要进展。该研究首次发现纳米材料可提高葡萄膜黑色素瘤（Uvealmelanoma，UM）细胞内的活性氧自由基（Reactive Oxygen Species，ROS）水平，不同浓度纳米材料介导的ROS对UM细胞的恶性生长能力影响不同，一定量的ROS可激活UM细胞mTOR信号通路，增强氨基酸代谢。该研究对于纳米材料肿瘤诊断和治疗应用中安全浓度的合理选择具有十分重要的参考价值。研究结果以“Dose Dependent Carbon Dot Induced ROS Promote Uveal Melanoma Cell Tumorigenicity via Activation of mTOR Signaling and Glutamine Metabolism”为题于2021年4月22日正式发表于国际顶级学术期刊《Advanced Science》。
ROS主要为细胞代谢所产生的副产物（例如超氧阴离子、H2O2、羟自由基、羟离子等）。当细胞内的ROS与抗氧化物（例如抗坏血酸、谷胱甘肽等）之间的平衡被打破时，便会产生氧化应激反应，过氧化细胞内生物大分子，从而损伤细胞。由于肿瘤细胞代谢旺盛，因此ROS在诸多类型的肿瘤中显著上升。为此，大量研究利用纳米材料调控肿瘤细胞内产生过量的ROS杀伤肿瘤。然而，ROS亦可作为诱导或信号分子在肿瘤形成、恶性转化、化疗耐药中发挥重要作用。纳米材料诱导产生的ROS是否会对肿瘤发生发展产生未知影响，这一关键问题对于应用纳米材料诊疗肿瘤具有重要的作用，因此亟待明确。
UM是成人最常见的眼内恶性肿瘤，恶性程度高，易转移，预后差，严重威胁患者视力和生命安全。葡萄膜黑色素瘤起源于脉络膜、睫状体或虹膜的黑色素细胞。由于紫外线的暴露及黑色素的生成，相较于其他正常细胞，黑色素细胞更易受ROS的调控影响而增加黑色素瘤的发生风险。若利用纳米材料介导的ROS技术早期检测或协同治疗UM，就存在加强肿瘤发生发展的风险。因此，该团队利用不同浓度的碳点纳米材料诱导UM细胞产生不同水平的ROS，全面分析其是否能起到信号分子的作用，对肿瘤细胞发生发展产生不同作用，并基于肿瘤代谢角度阐述了这一现象背后的机制。
研究团队首先结合ROS荧光显示技术及细胞内氧化还原状态检测技术分析了UM细胞在接受碳点（C-dots）短期刺激后胞内ROS水平、抗氧化能力和细胞表型变化，结果表明不同浓度C-dots处理的UM细胞抗氧化能力皆然不同，低剂量（25-100 μg/mL）的C-dots可增强UM细胞内ROS水平，同时细胞抗氧化能力增强，氧化还原水平得到再平衡，UM细胞增殖、迁移、侵袭、体外成瘤能力增强，在加入抗氧化剂NAC或Toc以消除ROS的影响后，C-dots的促进作用消失，而高剂量（200 μg/mL）C-dots产生的ROS由于打破细胞的氧化还原平衡，过氧化生物大分子，导致UM细胞凋亡，该结果在斑马鱼移植瘤模型及眼内原位荷瘤小鼠模型都得到相同验证结果。为了探索这一现象背后的机制，研究团队应用非靶向代谢组学技术（LC-MS）联合谷氨酰胺代谢相关基因mRNA表达图谱发现C-dots诱导的ROS通过激活Akt/mTOR通路，促进谷氨酰胺代谢，加速谷氨酰胺水解成谷氨酸，为谷胱甘肽的合成提供原料，从而调控细胞氧化还原平衡。同时，谷氨酸可进一步经转氨酶作用生成α-酮戊二酸，进入三羧酸循环生成更多ATP，从而促进肿瘤细胞生长。
第九人民医院眼科丁伊博士和俞杰博士为该论文共同第一作者，范先群教授、KamW.Leong教授、阮静研究员为共同通讯作者。论文获国家重点研发计划、国家自然科学基金委、国家留学基金委、上海市科学技术委员会等资助。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202002404
