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東華大學(xué)沈明武/史向陽教授團(tuán)隊(duì) AM:細(xì)胞膜仿生的聚合物納米顆粒通過放大內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和誘導(dǎo)線粒體功能障礙的化療增強(qiáng)腫瘤免疫治療
2022-09-22  來源:高分子科技

  盡管在過去十年中有多種新型抗腫瘤療法被開發(fā),兼?zhèn)錈o創(chuàng)性和全身抗腫瘤能力的化療仍是臨床中腫瘤治療的主要方法,但目前化療的療效還很不理想。此外,免疫抑制的腫瘤微環(huán)境(TME)也會(huì)限制化療的療效,導(dǎo)致腫瘤易復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移。因此,探索可有效誘導(dǎo)腫瘤免疫原性的新化療靶點(diǎn),激活免疫系統(tǒng)并逆轉(zhuǎn)TME的免疫抑制性,有望實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的治療效果。


  內(nèi)質(zhì)網(wǎng)作為細(xì)胞中調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)折疊和細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的重要細(xì)胞器,已成為新的藥理學(xué)靶點(diǎn)。由于大多數(shù)腫瘤細(xì)胞都處于非致命的持續(xù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激狀態(tài),放大內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。此外,當(dāng)腫瘤中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激程度異常增強(qiáng)時(shí),定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的免疫原性死亡(ICD)標(biāo)志物鈣網(wǎng)蛋白(CRT)會(huì)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞膜,熟化樹突細(xì)胞(DCs)。因此,利用可放大內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的藥物促進(jìn)CRT在細(xì)胞表面的暴露,可能是提升腫瘤免疫原性的理想選擇。


  近年來,基于“one-for-all”策略設(shè)計(jì)的兼?zhèn)湓\斷和治療功能的納米藥物被廣泛開發(fā)用于影像引導(dǎo)的腫瘤治療。例如第三代含磷樹狀大分子銅絡(luò)合物(1G3-Cu),既可將促凋亡蛋白Bax轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體,誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡;還可利用Cu進(jìn)行MR成像。此外,1G3-Cu對(duì)線粒體的潛在損傷可能導(dǎo)致另一種ICD標(biāo)志物三磷酸腺苷(ATP)的釋放,進(jìn)一步增強(qiáng)ICD效應(yīng)。


  由于化療藥物往往受困于生物利用度差、單藥療效不足等缺點(diǎn),具有優(yōu)異載藥能力的TME響應(yīng)納米平臺(tái)被用于整合不同的藥物以提高療效。在眾多納米平臺(tái)中,響應(yīng)性聚合物膠束由于可負(fù)載疏水藥物、延長(zhǎng)血液循環(huán)時(shí)間以及控制藥物釋放等而具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而,體內(nèi)的多重生理屏障仍會(huì)阻礙膠束在腫瘤中的積累,因此有必要在膠束表面進(jìn)行額外的仿生修飾以增強(qiáng)其腫瘤特異性。例如,具有免疫逃避性和同源靶向性的癌細(xì)胞膜可使納米平臺(tái)逃脫網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的吞噬并增強(qiáng)其在腫瘤中的積累?紤]到對(duì)腫瘤的高效化療可能會(huì)引起腫瘤細(xì)胞表面免疫檢查點(diǎn)分子表達(dá)增加,將化療與免疫檢查點(diǎn)阻斷(ICB)療法結(jié)合將有望逆轉(zhuǎn)免疫抑制的TME并產(chǎn)生長(zhǎng)期抗腫瘤免疫記憶效應(yīng)。


  為了解決以上問題,東華大學(xué)沈明武/史向陽教授團(tuán)隊(duì)制備了細(xì)胞膜仿生、負(fù)載了1G3-Cu和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激藥物豐加霉素(Toy)的還原響應(yīng)型聚合物納米膠束用于化療增強(qiáng)的腫瘤免疫治療(圖1)。研究團(tuán)隊(duì)首先利用含有二硫鍵的兩親性聚合物(PEG-SS-PCL形成膠束,將1G3-Cu包封在疏水空腔,并通過氫鍵作用負(fù)載Toy,最后在其表面包覆B16黑色素瘤細(xì)胞膜(CM,得到還原響應(yīng)的聚合物納米顆粒(GCT@CM NPs)。制備的納米顆粒一方面消耗GSH在腫瘤細(xì)胞內(nèi)引起氧化應(yīng)激,加重腫瘤細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,同時(shí)利用Toy抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激恢復(fù)穩(wěn)態(tài),使腫瘤細(xì)胞經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑凋亡;另一方面還可利用1G3-Cu誘導(dǎo)線粒體功能紊亂,使腫瘤細(xì)胞經(jīng)線粒體途徑凋亡。此外,1G3-CuToy可協(xié)同作用誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生ICD,激活抗腫瘤免疫響應(yīng)。進(jìn)一步將制備的納米顆粒與PD-L1抗體聯(lián)合使用,提高T細(xì)胞對(duì)腫瘤細(xì)胞的識(shí)別能力,恢復(fù)免疫系統(tǒng)對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷作用,可產(chǎn)生長(zhǎng)期、持續(xù)的免疫效應(yīng),有效抑制腫瘤的生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移或復(fù)發(fā)。


1. GCT@CM NPs的合成及應(yīng)用示意圖。


  研究團(tuán)隊(duì)首先通過TEMSEM等證明了GCT@CM NPs的成功合成(圖2A-C),并且NPs表面保留了癌細(xì)胞膜表面CD47蛋白用于免疫逃避(圖2D)。制備的GCT@CM NPs由于CM的包覆而具有增強(qiáng)的抗蛋白吸附能力(圖2E),并在水、PBS以及培養(yǎng)基中具有良好的膠體穩(wěn)定性(圖2H)。在不同濃度GSH條件下,GCT@CM NPs會(huì)響應(yīng)性解離并釋放Toy(圖2I-J)。 


2.AGCT NPsTEM圖;GCT@CM NPs的(BSEM圖及(CTEM圖;(DCD47蛋白的保留情況;(E)各材料的抗蛋白吸附能力;各材料的(F)水合粒徑及(G)電勢(shì);(HGCT@CM NPs在水、PBS以及培養(yǎng)基中的粒徑變化曲線;(I)不同條件下GCT@CM NPs粒徑的變化;(J)不同條件下Toy的累積釋放曲線。


  研究團(tuán)隊(duì)通過細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)及細(xì)胞吞噬實(shí)驗(yàn)證明,GCT@CM NPs對(duì)B16細(xì)胞具有增強(qiáng)靶向性,可通過1G3-CuToy協(xié)同作用顯著抑制B16細(xì)胞的活力(圖3A-C)。并且,GCT@CM NPs可在細(xì)胞內(nèi)消耗GSH、產(chǎn)生ROS,引起腫瘤細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激(圖3D-G)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,GCT@CM NPs通過氧化應(yīng)激加重了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,并利用負(fù)載的Toy抑制了細(xì)胞內(nèi)XBP1s的表達(dá),從而通過加重內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激恢復(fù)穩(wěn)態(tài)使腫瘤細(xì)胞經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑凋亡(圖3I-M)。 


3.不同材料處理(AB16細(xì)胞或(BL929細(xì)胞后的細(xì)胞活力圖;(C)不同材料處理B16細(xì)胞和RAW 264.7細(xì)胞后細(xì)胞內(nèi)銅元素含量分析圖;(D)不同材料處理后B16細(xì)胞內(nèi)GSH水平分析圖及(E-GROS水平分析圖;(HToy在細(xì)胞內(nèi)的作用機(jī)制示意圖;(I-L)不同材料處理后B16細(xì)胞內(nèi)相關(guān)基因的表達(dá)水平及(M)相關(guān)蛋白的Western blot試驗(yàn)結(jié)果圖。


  隨后,團(tuán)隊(duì)研究了GCT@CM NPs對(duì)細(xì)胞線粒體功能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,制備的NPs可利用負(fù)載的1G3-Cu使線粒體膜電位下降,誘導(dǎo)線粒體功能障礙(圖4A-B)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),整合了Toy1G3-CuGCT@CM NPs誘導(dǎo)了更多的細(xì)胞發(fā)生凋亡(25.68%,并且可使促凋亡蛋白Bax、p53PTEN上調(diào),抗凋亡蛋白Bcl-2下調(diào)(圖4C-E)。此外,GCT@CM NPs可通過加重內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激使CRT外翻,通過線粒體損傷刺激ATP釋放,從而在體外誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生ICD,刺激DCs熟化(圖4F-I)。 


4.A1G3-Cu在細(xì)胞內(nèi)的作用機(jī)制示意圖;(B)不同材料處理后B16細(xì)胞內(nèi)線粒體膜電位變化分析圖;(C-D)不同材料處理后B16細(xì)胞凋亡情況流式分析及(E)凋亡相關(guān)蛋白的Western blot試驗(yàn)結(jié)果圖;(FB16細(xì)胞與各組材料共孵育引起ICD,并刺激DCs熟化的示意圖;不同材料處理后細(xì)胞內(nèi)(GHMGB-1的釋放及(HCRT表達(dá)情況分析圖;(I)各組材料刺激DCs熟化的流式分析圖。


  隨后,研究團(tuán)隊(duì)在小鼠體內(nèi)構(gòu)建B16皮下瘤模型,通過MR成像驗(yàn)證了GCT@CM NPs在體內(nèi)具有腫瘤主動(dòng)靶向性及延長(zhǎng)的血液循環(huán)時(shí)間。在體內(nèi)抗腫瘤實(shí)驗(yàn)中,GCT@CM NPs具有最佳的腫瘤抑制效果,可在體內(nèi)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生ICD招募細(xì)胞毒性T細(xì)胞進(jìn)入TME。進(jìn)一步將GCT@CM NPsPD-L1抗體(Anti-PD-L1)聯(lián)合使用發(fā)現(xiàn),Anti-PD-L1可提高T細(xì)胞對(duì)腫瘤細(xì)胞的識(shí)別能力,使GCT@CM NPs+Anti-PD-L1組小鼠的腫瘤體積最。▓D5A-E)。經(jīng)流式分析發(fā)現(xiàn),聯(lián)合治療使小鼠脾臟及腫瘤浸潤(rùn)的CD4+、CD8+T細(xì)胞比例顯著上升,腫瘤部位Tregs的比例下降,免疫抑制的TME被逆轉(zhuǎn),表明化療引起的ICDICB療法聯(lián)合可引起最有效的免疫應(yīng)答(圖5F-K)。 



5.A)小鼠體內(nèi)聯(lián)合治療過程示意圖;不同材料治療14天內(nèi)(B)相對(duì)腫瘤體積變化圖、(C)小鼠相對(duì)體重變化圖及14天后的(D)腫瘤照片和(E)腫瘤重量;各實(shí)驗(yàn)組經(jīng)治療14天后,(F)脾臟及(G)腫瘤組織中CD8+CD4+T細(xì)胞分型的流式細(xì)胞分析圖及(H-I)腫瘤組織中Tregs的表達(dá)水平分析;(JCD8+T細(xì)胞與Tregs的比值;(K)治療后各組小鼠血清中IFN-γ表達(dá)水平分析。


  為了驗(yàn)證GCT@CM NPs+Anti-PD-L1的聯(lián)合療法在體內(nèi)產(chǎn)生長(zhǎng)期免疫記憶的能力,研究團(tuán)隊(duì)在聯(lián)合治療的基礎(chǔ)上進(jìn)行了腫瘤再挑戰(zhàn)及抗轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)(圖6A)。研究發(fā)現(xiàn)聯(lián)合治療使小鼠脾臟中的記憶T細(xì)胞含量顯著增加(圖6B-C),并可在再次輸入B16細(xì)胞后顯著抑制再挑戰(zhàn)腫瘤的生長(zhǎng)以及腫瘤的肺轉(zhuǎn)移(圖6D-G)。 


6.A)小鼠體內(nèi)腫瘤再挑戰(zhàn)及抗轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)示意圖;(B-C)經(jīng)聯(lián)合治療后各組小鼠脾臟中記憶T細(xì)胞比例分析;(D)各組小鼠再挑戰(zhàn)腫瘤中T細(xì)胞分型分析及(ECD8+CD4+T細(xì)胞的比值;(H)各組小鼠經(jīng)治療后抗轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)結(jié)果。


  簡(jiǎn)而言之,該研究設(shè)計(jì)的GCT@CM NPs納米平臺(tái)具有多個(gè)優(yōu)勢(shì):1)構(gòu)建的NPs聯(lián)合CM顯著提高了1G3-CuToy的生物利用度并降低了它們的副作用,使1G3-CuToyTME中響應(yīng)性釋放,從而通過線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激兩個(gè)途徑誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡;2Toy介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激放大可以與1G3-Cu誘導(dǎo)的線粒體功能障礙協(xié)同作用,增強(qiáng)ICD效應(yīng),熟化DCs并招募免疫細(xì)胞進(jìn)入TME;3GCT@CM NPsAnti-PD-L1聯(lián)合使用,產(chǎn)生長(zhǎng)期免疫應(yīng)答,抑制腫瘤的復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。本研究制備的GCT@CM NPs整合不同的治療靶點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)化療增強(qiáng)的免疫治療提供了新的思路。


  以上研究成果以“Biomimetic Polymeric Nanoparticle-Mediated Chemotherapy Potentiates Enhanced Tumor Immunotherapy via Amplification of Endoplasmic Reticulum Stress and Mitochondrial Dysfunction”為題,在線發(fā)表于國(guó)際著名期刊Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202206861)。東華大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院史向陽教授與沈明武教授為共同通訊作者,博士生郭云琦范鈺為共同第一作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目、上海市科委政府間國(guó)際合作項(xiàng)目及中央高校研究生創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202206861

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