操纵细胞内的生物过程和细胞器已成为影响细胞生理功能的关键策略。线粒体是细胞的动力源，在肿瘤发生和发展中起着至关重要的作用。
2024年9月17日，澳门大学王瑞兵及高雷共同通讯在Advanced Materials Online发表题为“Tyrosinase-Woven Melanin Nets for Melanoma Therapy via Targeted Mitochondrial Tethering and Enhanced Photothermal Treatment”的研究论文。该研究受黑色素瘤细胞内酪氨酸酶催化黑色素形成的启发，开发了一种酪氨酸和三苯基膦（TPP）双重功能化的多糖在黑色素瘤细胞中靶向线粒体交联的方法。
其在细胞内错综复杂地编织黑色素网，作为线粒体的系绳，并通过纳米颗粒网的转化有效减缓肿瘤代谢。酪氨酸酶充当“针”，而功能化多糖充当“绳子”，在细胞内成功构建网络。此外，酪氨酸酶催化的酪氨酸交联不仅促进了人工黑色素的产生，还提高了黑色素瘤细胞的光热转换效率，从而抑制肿瘤生长。该研究揭示了一种调节细胞器生理活性的非药物方法，操纵细胞功能的同时实现了癌症光热治疗。
近年来，传统抗肿瘤药物与靶向治疗、免疫治疗、光疗和放疗相结合，通过抑制肿瘤细胞生长迅速缓解患者症状，从而大幅改善整体肿瘤治疗效果，提高了患者生存率。然而，传统抗肿瘤化疗药物的效果往往受到靶点和作用途径复杂、缺乏选择性、副作用严重、疗效有限的阻碍，即使与其他治疗方式联合，也无法完全根除肿瘤且保留正常组织。鉴于肿瘤发生、发展和转移与细胞内细胞器和大分子密切相关，调控细胞内细胞器和大分子合成成为一种非药物抗肿瘤策略，其特点是可控、安全性高和效率强。与传统的化疗抗癌不同，该方法有望在不产生耐药性的情况下实现靶向、有效抗肿瘤。
作为细胞的“动力工厂”，线粒体是最重要的细胞器之一，在细胞存活和凋亡的协调中发挥着关键作用。一方面，线粒体能够产生能量，维持细胞的正常增殖和分化，并控制细胞生长和细胞周期。另一方面，线粒体在多种代谢活动中起着重要作用，包括细胞信息传递和细胞凋亡。因此，许多线粒体靶向治疗剂通过诱导线粒体功能障碍来进行肿瘤治疗，包括减少ATP、降低线粒体膜电位、调节氧化磷酸化和破坏氧化还原稳态等，但部分方法只能调节单一信号途径，且缺乏对癌细胞的靶向性，导致治疗效果不足。由于ATP生成、有氧呼吸、氧化磷酸化和氧化还原稳态的功能涉及肿瘤发生和发展的所有方面，因此破坏整个线粒体，调控线粒体整体形态和功能，可能是抑制肿瘤的潜在策略。
合成生物学的出现促进了内源性酶在特定细胞内精确催化和功能性大分子的生产应用。黑色素细胞中黑色素的合成过程包含酪氨酸酶的过表达催化酪氨酸的氧化，这种酶促过程已被用于产生多巴醌（一种黑色素前体）、多巴或多巴色素，以及最终的黑色素等各种生物分子。黑色素生成途径中，L-酪氨酸首先羟基化为L-二羟基苯丙氨酸（L-DOPA），后者被酪氨酸酶进一步氧化为多巴醌，多巴醌是真黑素和褐黑素途径中的常见中间体，反应速率和中间体类型受酪氨酸酶相关蛋白1（TRP1/TYRP1）、酪氨酸酶相关蛋白2（TRP2/TYRP2/DCT）和物理化学环境（金属离子如Mn2+或Cu2+、碱性pH值和硫醇浓度）的调控。
同时，黑色素本身及其反应性中间体表现出高度的细胞毒性、遗传毒性和诱变活性，通过刺激糖酵解和激活缺氧诱导因子1-α、免疫抑制作用，诱导黑色素瘤的发展和对免疫治疗的耐药性，且在调节细胞代谢中发挥关键作用。其中，黑色素瘤产生的多巴可能穿过血脑屏障，转化为儿茶酚胺，影响中枢神经系统，释放神经内分泌介质引起代谢变化。相反，通过阻断酪氨酸酶的催化位点来抑制黑色素的产生可以增强黑色素瘤细胞的免疫毒性活性。因此，作者假设酪氨酸酶可以作为一种内源酶来诱导靶向线粒体材料的胞内聚合，并驱动其在黑色素细胞的线粒体附近发生原位组装。
该研究合成了一种由酪氨酸和三苯基鏻（TPP）双功能化的透明质酸，即HA-Tyr-TPP，通过酪氨酸酶催化在黑色素细胞线粒体处交联实现靶向性生物合成，旨在诱导黑色素瘤线粒体的损伤，同时促进黑色素细胞内光热剂的原位生物合成。首先，两亲性HA-Tyr-TPP自组装成纳米颗粒。随后，由于细胞内低于临界胶束浓度（CMC）的稀释和透明质酸酶的存在，纳米颗粒分散成聚合物链，通过TPP-线粒体相互作用选择性地靶向线粒体表面。最终，酶催化的共价交联和无毒的线性透明质酸作为原料骨架材料，在细胞内编织束缚线粒体的网络。
由于HA-Tyr-TPP的结构中存在线粒体靶向基团（TPP），因此HA-Tyr-TPP进入细胞后可以有效地靶向线粒体表面。HA-Tyr-TPP的结构中存在大量酪氨酸，在酪氨酸酶的催化下会发生氧化二聚化，导致多个HA-Tyr-TPP交联，该过程有效地诱导线粒体聚集，从而影响其生理功能。在体外和体内均证实了线粒体的聚集，对肿瘤生长具有显著的抑制作用。值得注意的是，作者发现黑色素瘤细胞内人工黑色素网络的诱导提高了光热转换效率，从而增强了HA-Tyr-TPP的治疗效果。该方法通过生物合成调节细胞器形态、结构和功能，为精准癌症治疗奠定了基础。
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