南京大学王晓勇教授Chem. Sci.：锰配合物通过损伤DNA激活cGAS-STING通路发挥抗肿瘤免疫效应

 

肿瘤免疫治疗是通过激活或恢复机体自身免疫功能治疗肿瘤的一种新方法；但是，耐药性、免疫激活不足和肿瘤特异性抗原靶点缺失会降低免疫治疗的效果。适应性抗肿瘤免疫高度依赖健全的先天免疫系统，因此激活先天免疫并促进其与适应性抗肿瘤免疫作用能提高免疫治疗效果。

环磷酸鸟苷-腺苷合成酶（cGAS）-干扰素基因刺激因子（STING）是体内感受胞质DNA的重要信号通路。激活cGAS-STING通路能触发一系列下游信号通路事件，包括刺激和募集TANK-结合激酶1（TBK1）和干扰素调节因子3（IRF3），从而诱导I型干扰素（IFN-I）和促炎因子IL-6和TNF-α的分泌和释放。随后，INF促进树突状细胞（DC）成熟和迁移、增强自然杀伤细胞（NK）的毒性作用、交叉启动肿瘤特异性T细胞，借此调节先天及适应性免疫以调控侵袭性肿瘤的行为。由于cGAS-STING通路在抗肿瘤免疫中发挥重要作用，是先天性免疫的重要组成部分，因此引起了人们的广泛关注，成为肿瘤免疫治疗的重要靶点。

锰是一种营养微量元素，在抗肿瘤免疫反应等多种生理过程中发挥重要作用。研究发现Mn²⁺可以增强双链DNA传感器cGAS的灵敏度，并触发第二信使cGAMP的产生，从而增强STING和cGAMP之间的亲和力；此外，它能在体内诱导产生INF，促进CD8⁺ T细胞的功能，间接抑制肿瘤的进展。然而，直接向体内补充Mn²⁺不能保证肿瘤微环境中的有效浓度，因为过量的Mn²⁺可能引起系统毒性，如不可逆的神经毒性和心血管毒性。由于配体的屏蔽作用，锰配合物对生物分子具有更强的稳定性和惰性，可以减轻Mn²⁺的毒性，充分发挥其免疫调节作用。

最近，南京大学王晓勇教授研究团队报道了两种多功能锰配合物MnPC和MnPVA（图1），其中1,10-邻菲啰啉（P）作为DNA嵌入剂可增强对DNA的损伤，丙戊酸（VA）作为组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂可阻碍DNA损伤修复，从而促进DNA片段渗入细胞质，它们与锰形成的配合物可加剧DNA损伤，并诱导和激活抗肿瘤免疫反应，实现化学、免疫双重机制治疗肿瘤的目的。

图1. MnPC和MnPVA的化学结构（图片来源：Chem. Sci.）

一系列实验证明，在肿瘤细胞中MnPC或MnPVA破坏细胞核和/或线粒体DNA，导致磷酸化组蛋白γ-H2AX上调；同时，配合物抑制HDAC1/2和多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶1（PARP1）的活性，从而削弱DNA修复能力，加剧DNA损伤。积累的DNA损伤片段从细胞核和/或线粒体释放到细胞质，被cGAS识别并激活STING。STING转而刺激TBK1和IRF3的磷酸化并转位到细胞核，诱导产生IFN、IL-6和TNF-α。这些IFN和促炎细胞因子从细胞核分泌到细胞质中，进而分泌到肿瘤微环境，促进DC和巨噬细胞成熟和抗原提呈，并进一步激活细胞毒性T细胞杀死肿瘤细胞。类似事件也发生在免疫细胞中，如巨噬细胞中cGAS-STING-TBK1通路也被激活。激活的cGAS-STING通路启动先天免疫反应及肿瘤细胞与邻近免疫细胞之间的双向交流，从而增强对肿瘤的杀伤作用。由于化疗和免疫治疗的协同作用，锰配合物表现出强大的抗肿瘤活性。以上过程如图2所示。

图2. 锰配合物激活cGAS-STING通路和抗肿瘤免疫反应的作用机制（图片来源：Chem. Sci.）

支持上述机理的主要实验证据如图3‒7所示。

图3. 化合物（6 µM）处理MDA-MB-231三阴性乳腺癌细胞24 h后细胞内γ-H2AX蛋白表达（A）及dsDNA的释放（B），说明锰配合物能损伤DNA（图片来源：Chem. Sci.）

图4. 化合物（6 µM）与MDA-MB-231细胞孵育48 h后HDCA1/2蛋白表达（A）及蛋白相对含量（B）；用化合物（1.3 mg Mn kg^‒1）治疗16天后4T1小鼠肿瘤组织中HDAC1的免疫荧光变化（C），证明锰配合物能抑制组蛋白去乙酰化酶（图片来源：Chem. Sci.）

图5. 化合物（6 µM）与MDA-MB-231细胞孵育48 h后DNA修复和凋亡相关蛋白的表达，说明锰配合物能阻止DNA损伤修复，促进细胞凋亡（图片来源：Chem. Sci.）

图6. MDA-MB-231细胞（A）和THP-1细胞（B）分别与6 µM和3 µM化合物孵育24 h后cGAS-STING通路相关蛋白的表达及相对含量，证明锰配合物能激活cGAS-STING通路（图片来源：Chem. Sci.）

图7. 化合物（1.3 mg Mn kg^‒1）治疗4T1荷瘤小鼠16天后，肿瘤引流淋巴结中成熟树突细胞（CD11c⁺CD80⁺CD86⁺）及相关定量分析（A、B）、肿瘤组织中巨噬细胞极化（CD11b⁺CD206⁺CD86⁺）及相关定量分析（C‒E）、血清中IFN-β（F）和TNF-α（G）的含量（图片来源：Chem. Sci.）

总之，锰(II)配合物MnPC和MnPVA是潜在的化学免疫治疗剂，通过损伤DNA激活先天免疫反应，抑制肿瘤发展。与Mn²⁺相比，其特点为：（1）作为DNA损伤剂，诱导DNA氧化损伤并产生DNA片段；（2）作为HDAC和PARP1抑制剂，阻止修复DNA损伤，使损伤加剧；（3）作为cGAS-STING通路激动剂，诱导IFN和促炎细胞因子的分泌以促进DC和巨噬细胞成熟，进而激活肿瘤特异性T细胞以杀死肿瘤细胞。

论文原文“Manganese(II) complexes stimulate antitumor immunity via aggravating DNA damage and activating cGAS-STING pathway”发表在Chem. Sci. 2023, 14（DOI: 10.1039/D2SC06036A）上，第一作者是南京大学生命科学学院博士生蔡林祥，通讯作者是南京大学医药生物技术国家重点实验室王晓勇教授。

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