Chirality-Driven Immune Checkpoint Modulation by Chiral Iridium(III) Nanoparticles
背景与创新点
肿瘤免疫检查点抑制剂（ICIs）的出现为癌症治疗带来了革命性突破，然而其在实体瘤中的低响应率仍是临床面临的主要挑战。金属元素在免疫调节过程中的关键作用逐渐被揭示，为设计新型金属基免疫疗法提供了全新思路。手性是生命体系的基本结构特征，生物大分子的手性结构使其能够对映选择性地识别不同构型的分子。
在该背景下，南京大学王秀秀教授、赵劲教授和魏炜教授团队合作，创新性地构建了一对金属中心手性铱(III)纳米粒子（Δ-IrBMS8-NPs 和 Λ-IrBMS8-NPs）。该研究的核心创新点在于：1）首次将纳米尺度的金属中心手性应用于精准靶向免疫检查点PD-L1，避免了传统纳米载体的使用；2）揭示了Delta（Δ）构型在增强抗癌免疫反应中的关键作用，其通过立体选择性识别并结合PD-L1，实现了对肿瘤的高效靶向（肿瘤靶向性提升129倍）；3）该策略不仅增强了光动力治疗（PDT）效果，更通过重塑肿瘤微环境、激活树突状细胞和招募效应T细胞，诱导了强大的原位抗癌免疫反应与长期免疫记忆。该工作为未来理性设计高效金属基手性免疫检查点抑制剂开辟了新路径。
通讯作者及单位
王秀秀教授、赵静教授、魏炜教授。所属单位均为南京大学生命科学学院、化学化工学院及化学与生物医学创新中心（ChemBIC），配位化学国家重点实验室。
摘要
免疫检查点抑制剂（ICIs）为晚期癌症带来了革命性的治疗机遇，但其精准性不足的问题亟待突破。该研究利用手性构型与手性生物分子的高度相容性，构建了一对以BMS-8为活性单元的金属中心手性铱(III)纳米粒子——Δ-IrBMS8-NPs 与 Λ-IrBMS8-NPs，旨在增强与免疫检查点生物大分子的手性适配性并避免使用纳米载体。所得手性纳米粒子展现出显著的手性依赖性生物活性。具体而言，Δ-IrBMS8-NPs 通过与肿瘤特异性PD-L1的立体选择性识别与结合，其肿瘤靶向效率提升了129倍。这种精准靶向能力的提升，显著增强了体内的抗癌免疫应答，特别是在激活树突状细胞（DCs）的细胞因子通路响应以及招募效应CD8⁺ T细胞重塑肿瘤微环境方面表现突出。该工作开创性地探索了纳米尺度金属中心手性在精准靶向免疫检查点中的应用，揭示了Delta构型在增强抗癌免疫反应中的核心地位，为未来理性设计高效金属基免疫疗法奠定了基础。
图文导读
示意图1. 手性Ir(III)纳米粒子的设计及其在体外和体内手性驱动的免疫检查点调控示意图
图1. 免疫调节手性Ir(III)纳米粒子的组装过程。 (a) 免疫调节手性Ir(III)纳米粒子的设计示意图。 (b) 免疫调节手性Ir(III)纳米粒子的合成路线。
图2. 手性Ir纳米粒子的表征。 (a) Δ-IrBMS8-mPEG的核磁共振氢谱。 (b) Δ-IrBMS8 和 Λ-IrBMS8 单体的圆二色光谱。 (c) Δ-IrBMS8-NPs 和 Λ-IrBMS8-NPs 纳米粒子的圆二色光谱。 (d) 手性Ir(III)配合物及纳米粒子的紫外-可见吸收光谱。 (e) 手性Ir(III)配合物及纳米粒子的光致发光光谱。 (f) 利用两个特征发射峰的强度比计算 Δ-IrBMS8-NPs 的临界胶束浓度。 (g) 利用两个特征发射峰的强度比计算 Λ-IrBMS8-NPs 的临界胶束浓度。 (h) Δ-IrBMS8-NPs 和 Λ-IrBMS8-NPs 水溶液的丁达尔效应。 (i) Δ-IrBMS8-NPs 和 Λ-IrBMS8-NPs 的Zeta电位。 (j) Δ-IrBMS8-NPs 和 Λ-IrBMS8-NPs 的扫描电镜表征，比例尺：300 nm。 (k) Δ-IrBMS8-NPs 和 Λ-IrBMS8-NPs 的能量色散谱表征，比例尺：200 nm。 (l) Δ-IrBMS8-NPs 在水中的粒径分布。 (m) Λ-IrBMS8-NPs 在水中的粒径分布。 (n) Δ-IrBMS8-NPs 在模拟体液中7天的紫外-可见光谱。 (o) Λ-IrBMS8-NPs 在模拟体液中7天的紫外-可见光谱。（数据以平均值 ± 标准差表示 (n = 3)）。
图3. 手性Ir纳米粒子的体外抗癌效力。 (a) 光照后CT26细胞内由手性配合物及纳米粒子诱导的超氧阴离子自由基的共聚焦荧光成像。比例尺：50 μm。 (b) 光照后CT26细胞内由手性配合物及纳米粒子诱导的单线态氧的共聚焦荧光成像。比例尺：50 μm。 (c) 光照后经不同处理的细胞内产生的超氧阴离子自由基对应的相对平均荧光强度。 (d) 光照后经不同处理的细胞内产生的单线态氧对应的相对平均荧光强度。 (e) 光照后经BMS-8、手性Ir(III)配合物及纳米粒子处理的CT26细胞内活性氧产生的流式细胞术分析。（光照条件：激发波长450 nm，功率30 mW/cm²，时间10 min。数据以平均值 ± 标准差表示 (n ≥ 3)。单因素方差分析用于多组比较：*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001。）
图4. 基于蛋白质组学分析的手性Ir(III)纳米粒子在CT26癌细胞中的作用机制。 (a) 不同温度下，经 Δ-IrBMS8-NPs 或 Λ-IrBMS8-NPs 处理的CT26细胞裂解液中PD-L1表达的免疫印迹分析。 (b) 不同处理下的PD-L1细胞热位移分析曲线。 (c) 经手性Ir配合物及纳米粒子处理的CT26细胞对Ir(III)的摄取情况。 (d) 正常细胞系与癌细胞系对 Δ-IrBMS8-NPs 和 Λ-IrBMS8-NPs 摄取情况的比较。 (e) 免疫印迹法检测不同处理后细胞内PD-L1的表达。 (f) Δ-IrBMS8-NPs 处理组与对照组相比的差异表达蛋白火山图。 (g) 免疫印迹法检测不同处理后细胞内HAPLN1的表达。 (h) 免疫印迹法检测不同处理后细胞内TAGLN的表达。 (i) KEGG分析揭示 Δ-IrBMS8-NPs 处理后在癌细胞中下调的信号通路。 (j) KEGG分析揭示 Δ-IrBMS8-NPs 处理后在癌细胞中上调的信号通路。 (k) 通过添加不同细胞死亡抑制剂验证 Δ-IrBMS8-NPs 诱导的细胞死亡方式。(l) Δ-IrBMS8-NPs 处理组与 Λ-IrBMS8-NPs 处理组相比的差异表达蛋白火山图。 (m) 质谱定量分析显示经 Δ-IrBMS8-NPs 处理的CT26细胞中被显著抑制的蛋白。（光照条件：激发波长450 nm，功率30 mW/cm²，时间10 min。数据以平均值 ± 标准差表示 (n ≥ 3)。单因素方差分析用于多组比较：*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001。）
图5. 通过分子模拟解析Ir(III)纳米粒子手性驱动抗癌活性的分子机制。 (a) Δ-IrBMS8 和 Λ-IrBMS8 与PD-L1的分子对接模拟。 (b) Δ-IrBMS8 和 Λ-IrBMS8 与Hapln1蛋白的分子对接模拟。 (c) Δ-IrBMS8 和 Λ-IrBMS8 与Tagln蛋白的分子对接模拟。 (d) Ir(III)纳米粒子在CT26癌细胞中手性驱动抗癌活性的机制示意图。
图6. 手性Ir(III)纳米粒子在树突状细胞中的手性驱动机制分析。 (a) 流式细胞术分析不同处理组小鼠肿瘤引流淋巴结中CD80⁺和CD86⁺的树突状细胞比例。 (b) 肿瘤引流淋巴结中CD80⁺和CD86⁺树突状细胞比例的统计分析。 (c) Δ-IrBMS8-NPs 处理组与未处理对照组树突状细胞的差异表达蛋白火山图。 (d) Λ-IrBMS8-NPs 处理组与未处理对照组树突状细胞的差异表达蛋白火山图。 (e) KEGG分析显示经 Δ-IrBMS8-NPs 处理的树突状细胞中上调的信号通路。 (f) KEGG分析显示经 Λ-IrBMS8-NPs 处理的树突状细胞中上调的信号通路。 (g) 手性Ir(III)纳米粒子在树突状细胞中手性驱动生物学效应的示意图。（L：代表施加光照，条件为450 nm，30 mW/cm²，5分钟）。（数据以平均值 ± 标准差表示 (n = 3)。单因素方差分析用于多组比较：*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001。）
图7. 经手性Ir(III)纳米粒子治疗后小鼠肿瘤微环境中免疫细胞的分析。 (a) 不同治疗组小鼠肿瘤微环境中CD4⁺ T细胞的统计分析。 (b) 不同治疗组小鼠肿瘤微环境中CD8⁺/IFN-γ⁺ T细胞的统计分析。 (c) 不同治疗组小鼠肿瘤微环境中CD25⁺/Foxp3⁺ T细胞的统计分析。 (d) 不同治疗组小鼠肿瘤微环境中CD8⁺/IFN-γ⁺ T细胞的代表性流式细胞图。 (e) 不同治疗组小鼠肿瘤微环境中CD25⁺/Foxp3⁺ T细胞的代表性流式细胞图。（L：代表施加光照，条件为450 nm，30 mW/cm²，5分钟。数据以平均值 ± 标准差表示 (n = 3)。单因素方差分析用于多组比较：*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001。）
图8. 经手性Ir(III)纳米粒子治疗后小鼠脾脏免疫细胞及免疫记忆分析。 (a) 不同治疗组小鼠脾脏中CD4⁺ T细胞的统计分析。 (b) 不同治疗组小鼠脾脏中CD8⁺ T细胞的统计分析。 (c) 不同治疗组小鼠脾脏中CD8⁺/IFN-γ⁺ T细胞的统计分析。 (d) 不同治疗组小鼠脾脏中CD25⁺/Foxp3⁺调节性T细胞的统计分析。 (e) 不同治疗组小鼠脾脏中记忆性CD4⁺ T细胞的统计分析。 (f) 不同治疗组小鼠脾脏中记忆性CD8⁺ T细胞的统计分析。 (g) 不同治疗组小鼠免疫记忆CD8⁺ T细胞的代表性流式细胞图。（L：代表施加光照，条件为450 nm，功率30 mW/cm²，时间5分钟。数据以平均值 ± 标准差表示 (n = 3)。单因素方差分析用于多组比较：*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001。）
图9. 手性Ir(III)纳米粒子的体内手性驱动抗癌效应。 (a) 尾静脉注射24小时后肿瘤部位Ir元素的定量分析。 (b) 免疫功能低下小鼠在接受不同治疗14天后的肿瘤组织重量。 (c) 免疫功能低下小鼠在14天治疗期间的肿瘤体积变化曲线。 (d) 免疫功能低下荷瘤小鼠治疗14天后的代表性肿瘤图像。 (e) 免疫功能正常小鼠在接受不同治疗14天后的肿瘤组织重量。 (f-g) 免疫功能正常小鼠在14天治疗期间的肿瘤体积变化曲线。 (h) 免疫功能正常荷瘤小鼠治疗14天后的代表性肿瘤图像。（L：代表施加光照，条件为450 nm，功率30 mW/cm²，时间5分钟。数据以平均值 ± 标准差表示 (n ≥ 3)。单因素方差分析用于多组比较：*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001。）
结论
该研究通过引入免疫检查点PD-L1结合基团，成功构建了一对金属中心手性铱(III)纳米粒子（Δ-IrBMS8-NPs 和 Λ-IrBMS8-NPs），以增强与免疫检查点生物标志物的手性适配性和靶向精准度，并深入探究了金属中心手性在调控免疫检查点中的生物学角色。研究从体外和体内层面，全面阐释了手性驱动抗肿瘤活性及免疫应答的细胞内分子机制。该工作开创性地探索了纳米尺度金属中心手性在精准靶向免疫检查点中的应用，并明确指出了纳米尺度的Delta构型是增强抗肿瘤免疫反应的最优立体化学结构。
在癌细胞层面，Δ-IrBMS8-NPs纳米粒子中的Ir(III)配合物单体凭借其独特的手性构型，实现了对PD-L1、Hapln1和Tagln的选择性识别与结合，从而选择性抑制这些蛋白并诱导多种细胞死亡方式，该结论得到了差异蛋白质组学分析的证实。细胞结合亲和力验证及关于结合能、作用位点的分子模拟计算，阐明了手性Ir(III)纳米粒子发挥手性驱动抗肿瘤活性的根本分子机制，首次突显了金属中心手性在精准靶向手性免疫检查点生物大分子中的关键作用。值得注意的是，正是由于这种与肿瘤特异性PD-L1的立体选择性识别与结合，Δ-IrBMS8-NPs的肿瘤靶向效率较不含BMS-8结构的单体Δ-Irph提升了129倍。
在免疫细胞层面，蛋白质组学分析揭示了Δ-IrBMS8-NPs能够显著上调并分泌肿瘤相关细胞因子，促进树突状细胞成熟及应激反应，并增强细胞因子通路的激活。通过协同激活树突状细胞并有效抑制PD-L1，Δ-IrBMS8-NPs进一步启动了适应性免疫应答，招募大量CD8⁺ T细胞以重塑肿瘤微环境，并加速长期免疫记忆的形成。相较之下，Λ-IrBMS8-NPs仅能引发微弱的免疫反应。该工作揭示了金属配合物的Delta构型在阻断免疫检查点和重塑免疫微环境中的关键作用，为未来开发高效手性免疫检查点抑制剂用于免疫治疗开辟了新的方向。
通讯作者简介
王秀秀，特聘研究员，博士生导师，2014年毕业于浙江大学获硕士学位，2019年毕业于南京大学获博士学位，2019-2021年于南京大学化学化工学院进行博士后研究（导师：郭子建院士）。主要从事无机药物化学生物学研究。目前已发表学术论文30余篇，包括J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，ACS nano， Chem. Sci.，Biosens Bioelectron，Sci. China Chem，ACS Appl. Mater. Inter.，Nano Res等，并获国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金青年基金、江苏省自然科学基金青年基金、中央高校基本科研业务费前沿交叉项目、中国博士后面上基金等项目资助。
邮箱：wangxiuxiu@nju.edu.cn
研究方向
主要从事无机药物化学生物学研究，具体包括：
（1）精准靶向生物大分子的手性无机金属药物的开发与机制研究；
（2）免疫调控无机药物平台的构建及其生物医药应用研究；
（3）金属中心手性催化药物的开发
赵劲，1978年6月生，安徽定远人。南京大学化学化工学院教授，主要从事生物无机化学研究工作，重点关注金属及金属配合物、多聚磷酸盐和无机纳米材料的化学生物学功能及应用。1998年本科毕业于南京大学化学系，之后在耶鲁大学攻读博士学位。2005年至2006年于加州大学伯克利分校从事博士后研究。2006年至2007年于芝加哥大学从事博士后研究。2007年至2008年在罗门哈斯公司研发部工作。2008年6月加入南京大学任教授、博士生导师。2009年-2014年担任北京大学深圳研究生院化学生物学与生物技术学院副院长、博士生导师。2013年入选创新人才推进计划中青年科技创新领军人才计划，2016年获得国家自然科学基金委员会“优秀青年基金”支持，2020年获得国家自然科学基金委员会“杰出青年基金”支持。作为主要完成人参与的“活细胞化学反应工具的开发与应用”项目获2020年国家自然科学奖二等奖(第二完成人)。同时，课题组还长期承担本科生科研实践项目，指导学生团队参加国际遗传工程机器大赛（iGEM），并多次斩获国际金奖。
电子邮箱： jingzhao@nju.edu.cn
课题组主页： http://www.zhaojgroup.com/
工作经历
2014年——至今 南京大学化学化工学院 教授、博士生导师
2008年——2014年 南京大学生命科学学院 教授、博士生导师
2007年——2008年 美国罗门哈斯公司 任高级研究员
2005年——2007年 先后于加州大学伯克利分校、芝加哥大学进行博士后研究，合作导师：Dean Toste、何川
2005年 耶鲁大学 化学博士 导师：John Hartwig
1998年 南京大学化学系 学士
原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c00020
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