貧血是世界范圍內(nèi)的主要公共衛(wèi)生問題之一，其患病率已超過30%。值得注意的是，貧血困擾著40-64%的惡性腫瘤患者，造成他們生活質(zhì)量下降，對放化療治療耐受性差，甚至生存期縮短。目前，促紅細(xì)胞生成素(EPO)及其類似物是臨床上治療貧血的主要藥物。然而，研究表明，EPO在治療貧血的同時，也造成腫瘤的增殖和轉(zhuǎn)移，從而加劇乳腺癌、卵巢癌等腫瘤進(jìn)展，這極大地限制了腫瘤患者的貧血治療選擇。因此，迫切需要開發(fā)新型藥物以治療癌癥相關(guān)貧血。

　　碳點(CDs)憑借其光學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特點，已成為潛在的生物醫(yī)學(xué)材料。CDs的結(jié)構(gòu)特性可使其易于被修飾，從而賦予抗癌或抗炎功能。優(yōu)良的光學(xué)性能和光敏性使CDs在低功率密度激光照射下產(chǎn)生更高的熱量，可進(jìn)行電子或能量轉(zhuǎn)移反應(yīng)，能夠用于光熱療法和靶向殺傷腫瘤細(xì)胞。最新研究表明，CDs還具有直接的生物治療效果，有望應(yīng)用于帕金森病和各種癌癥治療。

　　近日，鄭州大學(xué)張世杰、盧思宇教授和紐約血液中心安秀麗教授合作，在Advanced Materials期刊發(fā)表了題為：Carbon dots as a potential therapeutic agent for the treatment of cancer-related anemia的研究。

　　該研究利用紅棗為反應(yīng)前驅(qū)體制備了紅棗衍生碳點(J-CDs)，借助體內(nèi)、外實驗揭示了J-CDs可以通過調(diào)節(jié)低氧誘導(dǎo)反應(yīng)和增加STAT5的磷酸化水平，刺激紅系祖細(xì)胞的自我更新，最終促進(jìn)紅細(xì)胞有效生成;此外，J-CDs不影響腫瘤細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移。

　　由于生物碳點具有眾多優(yōu)良特性，并且大棗在傳統(tǒng)中醫(yī)中被認(rèn)為是經(jīng)典補血藥物，所以，作者選取大棗作為碳源合成J-CDs。評估J-CDs的各項參數(shù)，證明J-CDs成功制備(圖1)。首先，作者使用體外紅系誘導(dǎo)分化體系評估J-CDs對人紅細(xì)胞生成的影響，發(fā)現(xiàn)J-CDs對紅系增殖的促進(jìn)作用僅限于紅系祖細(xì)胞階段，因此，推測J-CDs可能促進(jìn)紅系祖細(xì)胞(BFU-E和CFU-E)的自我更新能力。為了驗證該猜想，作者利用分選的BFU-E和CFU-E細(xì)胞進(jìn)行了克隆形成能力檢測，結(jié)果表明J-CDs有效增強了BFU-E和CFU-E細(xì)胞的克隆形成能力。隨著紅系分化，CFU-E進(jìn)一步分化進(jìn)入終末紅系發(fā)育階段，依次產(chǎn)生原始紅細(xì)胞(Pro)、早幼紅細(xì)胞(Baso)、中幼紅細(xì)胞(Ploy)、晚幼紅細(xì)胞(Ortho)和網(wǎng)織紅細(xì)胞(Retic)。因此，作者接下來研究了J-CDs對終末紅系分化的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：J-CDs雖然顯著促進(jìn)人類紅系祖細(xì)胞的增殖，但是不影響終末紅系分化和成熟紅細(xì)胞的正常生成。

　　圖1

　　此外，作者進(jìn)一步在體內(nèi)評估了J-CDs對小鼠紅細(xì)胞生成的影響(圖2左)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：J-CDs處理的小鼠其外周血中的紅細(xì)胞、血紅蛋白水平、紅細(xì)胞壓積以及網(wǎng)織紅細(xì)胞比例均顯著增加。對骨髓造血進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)：J-CDs處理后，小鼠的Ter119+細(xì)胞(終末發(fā)育階段的紅細(xì)胞)顯著增加。使用CD44與Ter119表面標(biāo)志進(jìn)行流式分析證實：J-CDs處理的小鼠骨髓中pro：baso：poly：ortho仍為1:2:4:8的正常比例。作為成年小鼠的另一個重要造血器官，脾臟是應(yīng)激性紅細(xì)胞生成的主要部位。J-CDs處理造成小鼠脾臟中的有核紅細(xì)胞顯著升高，應(yīng)激造血明顯。此外，J-CDs治療對小鼠的腦、心、肺和肝的形態(tài)并沒有影響。

　　那么J-CDs對體內(nèi)紅系造血的促進(jìn)，是否同樣由于J-CDs對紅系祖細(xì)胞的促進(jìn)作用?實驗證實，骨髓中分選的BFU-E與CFU-E在經(jīng)過J-CDs處理后，形成的克隆數(shù)量增加、克隆尺寸變大，與體外結(jié)果一致。有趣的是，J-CDs對造血干/祖細(xì)胞和其他譜系細(xì)胞均沒有明顯影響，只特異性促進(jìn)小鼠紅系祖細(xì)胞的增殖。

　　圖2

　　目前，EPO已廣泛應(yīng)用于貧血的臨床治療，但近年來多篇報道表明EPO可促進(jìn)卵巢癌、乳腺癌及多種癌癥的進(jìn)展，而這使得EPO被限制應(yīng)用于相關(guān)病種。那么作為同樣可以促進(jìn)紅細(xì)胞生成的J-CDs是否影響癌癥的進(jìn)展?為排除這一疑慮，作者使用卵巢癌(A2780和SKOV3細(xì)胞系)、乳腺癌(MDA-MB-231和MCF7細(xì)胞系)以及異種移植模型來驗證J-CDs對腫瘤進(jìn)展的影響(圖2右)。結(jié)果證實J-CDs并不影響卵巢癌、乳腺癌等的腫瘤增殖，同時也不影響卵巢癌細(xì)胞荷瘤小鼠的存活率。研究證實，EphB4是EPO在卵巢癌和乳腺癌中的直接受體，通過促進(jìn)STAT3的磷酸化造成腫瘤進(jìn)展。因此，作者進(jìn)一步檢測了J-CDs對STAT3磷酸化水平的影響。結(jié)果顯示J-CD不影響卵巢癌和乳腺癌細(xì)胞中STAT3的磷酸化水平。

　　為探索J-CDs促進(jìn)紅系祖細(xì)胞自我更新的分子機(jī)制，該研究檢測并分析J-CDs組與對照組分選的CFU-E細(xì)胞的RNA-seq數(shù)據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，J-CDs處理后CFU-E細(xì)胞中上調(diào)最明顯的通路是對低氧誘導(dǎo)的反應(yīng)。這一通路協(xié)調(diào)了EPO的產(chǎn)生、鐵的攝取和利用，以及骨髓微環(huán)境的調(diào)節(jié)，以最終促進(jìn)紅系祖細(xì)胞增殖。此外，通過評估JAK2/STAT5、PI3K/AKT和RAS/ERK級聯(lián)信號通路，作者發(fā)現(xiàn)J-CDs治療僅僅顯著增加人類紅系細(xì)胞與小鼠骨髓Ter119+細(xì)胞中STAT5的磷酸化水平，對ERK和AKT的磷酸化水平并沒有明顯影響。以上結(jié)果表明J-CDs促進(jìn)紅系細(xì)胞增殖，并不是通過誘導(dǎo)缺氧來增加EPO水平，而是通過一種不涉及EPO的特殊機(jī)制。

　　綜上所述，該研究利用紅棗合成了獨特的J-CDs生物碳點，發(fā)現(xiàn)J-CDs對紅細(xì)胞的產(chǎn)生有顯著的促進(jìn)作用，但對HSC穩(wěn)態(tài)、造血祖細(xì)胞的定向分化或其他譜系細(xì)胞的發(fā)育沒有影響，只特異性地促進(jìn)紅系祖細(xì)胞的自我更新能力。并利用體內(nèi)、外實驗證實了J-CDs對卵巢癌和乳腺癌等的進(jìn)展沒有明顯的影響。最后，機(jī)制研究證明，J-CDs通過調(diào)節(jié)低氧應(yīng)答途徑和上調(diào)STAT5的磷酸化水平來促進(jìn)紅系祖細(xì)胞的增殖。該研究為貧血治療，特別是癌癥相關(guān)貧血的治療提供新的選擇。