前言
目前,癌症仍然是全球第二大死亡原因,其中扩散到远端器官的癌症占到了癌症相关死亡人数的90%以上。尽管肿瘤免疫治疗在延长患者生存期方面展现出巨大的潜力,然而不幸的是,目前依然缺乏有效的转移治疗,因为难以选择性地靶向这些分布在各种器官上的小的、非定域的肿瘤。
纳米技术在改善转移癌患者的免疫治疗效果方面具有巨大的前景。与传统的癌症免疫疗法不同,合理设计的纳米材料可以触发特定的杀瘤效应,从而改善免疫细胞对骨、肺和淋巴结等主要转移部位的接触,优化抗原呈递,并诱导持久的免疫反应。具体来说,它可以直接逆转原发肿瘤的免疫状态,利用外周免疫细胞的潜能,防止转移前生态位的形成,并通过术后免疫治疗抑制肿瘤复发。
此外,与低分子量免疫调节剂相比,纳米级免疫调节剂具有可控的药代动力学行为,由于其独特的尺寸效应和多个功能域的存在而产生的共载能力,因此具有通过协同效应增强免疫激活的潜力,这可能会克服实体肿瘤有效免疫治疗的障碍。纳米技术在肿瘤免疫治疗中具有广泛的应用潜力,尤其是难治性和复发性癌症。
逆转原发肿瘤的免疫状态
肿瘤的发生是一个过程,是由于一系列癌症逃逸机制引起的宿主免疫监视缺陷所致。在原发性实体瘤中,由于肿瘤微环境的免疫抑制状态,癌细胞新抗原的免疫原性太弱,无法有效刺激免疫反应。纳米材料为克服这一治疗效果障碍提供了新途径。
改变免疫抑制的肿瘤微环境
肿瘤微环境的特征在决定癌症免疫治疗成功与否方面起着重要作用。在肿瘤免疫抑制性的微环境中,多种免疫和非免疫细胞类型引起长期炎症和局部免疫抑制,使恶性细胞不被宿主免疫系统检测和消除。为了打破这种局面,纳米免疫调节剂被设计成直接靶向免疫抑制微环境,从而在原位重新激活免疫系统并抑制肿瘤生长。
巨噬细胞是肿瘤微环境中最丰富的免疫细胞群之一,TAM主要是M2表型,因此,使TAMs从M2型复极为M1型已成为免疫治疗策略之一。最近,Chen和他的同事构建了一种可编程的细胞囊泡,以对抗术后肿瘤复发和转移。杂合细胞膜纳米囊泡(HNV)可与血管腔内的循环肿瘤细胞(CTC)相互作用,并在切除部位聚集,阻断CD47-SIRPα相互作用,使TAM从M2复极至M1,从而杀死癌细胞。这些纳米囊泡还可以通过抗原呈递提高T细胞对恶性细胞的杀伤能力,通过减少局部复发和术后远端扩散,显著提高恶性黑色素瘤模型小鼠的存活率。
除TAM外,MDSC也参与产生免疫抑制微环境。Shuai及其同事设计了一种纳米调节器,含有MnO2颗粒和PI3Kγ抑制剂IPI549,以减轻缺氧,同时下调免疫抑制PD-L1分子的表达水平。同时,纳米调节剂可以激活MDSCs以加速TAM向M1表型的极化,并重新激活细胞毒性T细胞以阻止肿瘤细胞的增殖。
除了影响TAMs和MDSCs外,NK细胞活化是另一种缓解免疫抑制微环境的策略。使用多种细胞因子的纳米辅助免疫治疗,如IL-2和IL-12,已探索通过激活NK细胞来防止进展和转移。Irvine及其同事开发了一种在聚乙二醇化脂质体表面具有激动性抗CD137和IL-2的联合治疗系统。通过这种基于脂质体的治疗,免疫刺激物可在肿瘤中快速积聚,从而诱导NK细胞和T细胞的有效激活,进而抑制小鼠原发肿瘤部位和肺转移病灶的肿瘤进展。通过细胞因子辅助NK细胞激活的纳米材料的类似方法已被广泛开发用于治疗转移性癌症。除了直接激活NK细胞外,还可以设计纳米颗粒来改善NK细胞在肿瘤部位的积聚,从而提高治疗效果。
总的来说,通过减轻肿瘤相关免疫细胞的免疫抑制作用,重塑肿瘤微环境的免疫状态为局部区域性肿瘤免疫治疗提供了可行的途径。更重要的是,这一策略具有通过系统性抗癌免疫反应预防远处肿瘤转移和复发的巨大潜力。
通过ICD激活免疫细胞
近年来,研究表明,传统的局部治疗方法,包括局部热疗、放疗或化疗,不仅会破坏原发性肿瘤细胞,还会诱导肿瘤免疫原性细胞死亡(ICD)。然而,ICD刺激的免疫反应通常不足以引起针对转移的全身效应或防止肿瘤复发。因此,纳米材料被设计用于增强对传统癌症疗法的免疫反应。
局部区域热处理是诱导ICD最常用的方法。在一项研究中,Wang及其同事采用系统给药、红细胞膜包裹的2D聚吡咯纳米片作为NIR-II光热传感器,从而产生协同光热和免疫反应,有利于预防转移和延长小鼠生存期。
除了光热疗法外,磁热疗法是诱导ICD的另一种可行方法。Liang及其同事设计了一种新型的具有涡流域的铁磁性氧化铁纳米环,该纳米环能够介导温和的磁热疗,导致4T1乳腺肿瘤细胞中钙网蛋白的表达,并促进免疫细胞吞噬肿瘤细胞。
除了局部热疗外,纳米辅助放射治疗是另一种治疗策略,可引起肿瘤ICD并可能抑制远端转移。事实上,在一些临床病例中已经观察到了放射治疗的远隔效应,更正式的说法是辐射诱导的旁观者效应(RIBE),这是由对死亡肿瘤细胞的免疫反应触发的。通过纳米辅助免疫治疗的结合,RIBE可以显著扩增。例如,Liu和同事通过131I-Cat、天然多糖海藻酸盐和合成胞嘧啶磷酸鸟苷(CpG)的组合开发了一种新的放射性同位素疗法。肿瘤内注射后,由于内源性Ca2+的存在,多糖迅速形成水凝胶,将131I-Cat固定在肿瘤部位,从而能够通过低剂量放疗完全消除原发肿瘤。重要的是,在免疫刺激性寡核苷酸CpG的帮助下,原发性肿瘤局部放疗后肿瘤相关抗原(TAAs)的产生有效地触发了全身抗肿瘤免疫反应,与检查点阻断疗法相结合,成功地防止了转移和复发。
这些研究有助于说明肿瘤ICD与纳米辅助免疫治疗相结合在预防肿瘤生长和转移方面的巨大潜力。联合治疗为纳米材料辅助免疫治疗的临床应用提供了巨大的机会。
针对免疫细胞的应用
免疫细胞位于外周免疫器官中,包括淋巴结、脾脏、皮肤和血管系统。它们在外来抗原刺激下产生免疫反应中发挥重要作用。纳米技术可以通过多种方式应用于免疫细胞。
针对树突状细胞的癌症疫苗
基于树突状细胞的癌症疫苗在肿瘤预防和治疗方面具有巨大潜力,已被证明能有效抑制肿瘤转移和复发。然而,基于DC的免疫治疗仍然受到免疫反应不足的限制,这使得很难完全根除已建立的实体瘤。
由于纳米技术的最新进展,诸如脂质体、聚合物纳米颗粒和无机纳米颗粒等结构能够装载不同的组分,包括小分子、肽、核酸和细胞膜。这使得抗原和佐剂能够在纳米疫苗中共同装载,从而确保这些活性成分同时输送到相同的APC。此外,纳米疫苗还可以防止抗原和佐剂等成分迅速扩散到血液循环中,并促进其在引流淋巴结中的有效积累。因此,基于纳米颗粒的疫苗可能是增强免疫反应和预防肿瘤转移的有价值的工具。
Zhou等人通过用磷脂膜包覆PLGA纳米粒构建了佐剂/抗原共递送纳米平台。这种纳米疫苗可以有效地在淋巴结中积聚,并引发抗原特异性T细胞反应,从而抑制B16-OVA黑色素瘤细胞的转移,转移结节数量大幅减少。在另一个例子中,通过封装新型TLR7/8双特异性激动剂522NP,开发了基于PLGA纳米粒的抗转移纳米疫苗。静脉注射后,522NPs进入引流淋巴结并激活DC,从而显著增强随后的CTL反应。OVA+522NP免疫的小鼠肺转移结节比对照组减少约75%。
人工模拟免疫细胞
基于微材料和纳米材料的人工APC(aAPC)旨在通过模拟天然APC向T细胞呈递抗原信号并激活它们以抑制肿瘤。为了实现抗原呈递效应,aAPC表面应包括两部分:MHC肽复合物以及可与共刺激受体结合并激活T细胞的共刺激分子。与天然树突状细胞相比,aAPC具有相对明确的组成和可控的生物学行为。此外,aAPCs可用于大规模生产,从而可获得现成的疫苗。
Lu等人开发了一种aAPC疫苗,其中微型乳胶珠装配H-2Kb-Ig/pTRP2二聚体复合物、抗CD28抗体、4-1BB配体和CD83分子。在B16黑色素瘤小鼠动物模型中,静脉注射H-2Kb-Ig/pTRP2 aAPCs可以刺激黑色素瘤特异性CTL。结果表明,H-2Kb-Ig/pTRP2 aAPC治疗后肺转移显著减少,治疗后肺内仅出现约36个转移结节,而对照组小鼠出现约330个肺转移结节。
此外,APC模拟物并不是使用纳米材料探索的唯一免疫细胞。中性粒细胞或Treg在对肿瘤的先天免疫反应中也起着关键作用,纳米材料已被用于模拟它们以抑制肿瘤生长。可以预期,在未来的研究中将开发出能够模拟更多其他类型肿瘤相关免疫细胞的新型仿生纳米材料。
过继T细胞疗法
过继性T细胞疗法是治疗癌症的主要方法之一。利用纳米技术可以有效地设计淋巴细胞以表达T细胞受体或嵌合抗原受体,进一步扩大了ACT在癌症治疗中的成功应用。
例如,Irvine及其同事证明,用细胞因子或载药纳米颗粒修饰T细胞表面可以显著提高ACT的疗效。他们还使用纳米凝胶将蛋白质药物装载到T细胞上。这一策略显著地增加了肿瘤中存在的T细胞数量,从而提高了ACT治疗的安全性。
除了T细胞外,血小板也被用于ACT。由于其固有特性,它们可以自发地积聚在伤口区域。受这种能力的启发,Gu及其同事将抗PD-L1结合在血小板表面,这些过继血小板可以成功地靶向肿瘤切除后的手术伤口,并在原位血小板活化后通过血小板衍生微粒释放抗PD-L1。这一策略被证明能够成功地清除残留的肿瘤细胞,并防止癌症复发。
干扰转移前生态位的形成
原发性肿瘤需要改变远处器官的微环境,为CTC创造有利条件,称为转移前生态位(PMN)。在这种现象中,原发性肿瘤细胞首先在潜在转移部位分泌可溶性成分,如外泌体(EV),并通过将小核酸片段转移到正常细胞来调节该区域的微环境。原发性肿瘤源性炎症因子可同时招募抑制性免疫细胞,包括MDSCs、TAM或Treg,它们进一步分泌趋化因子和细胞因子以支持PMN的形成。因此,干扰PMN的形成是防止肿瘤细胞定植的机会。
重塑PMN的分子组成
PMN可以通过改变组织的血管状态来支持CTC的外渗、锚定、存活、增殖和免疫逃避。此外,PMN还表现出炎症和基质重编程,这也是CTC定植和存活的关键过程。
为了防止这些过程,研究人员已经发现出可以重塑PMN成分以抑制转移的分子。赖氨酰氧化酶是一种在肿瘤和PMN中过度表达的酶,通过重塑ECM帮助肿瘤细胞定植。除了小分子,针对PMN中分子成分的纳米药物制剂也开始出现。Jiang等人设计了二甲双胍和二十二碳六烯酸混合微粒作为PMN的重塑剂,这些纳米药物减少了CTC和内皮细胞之间的粘附,逆转了炎性分子的异常表达,包括PMN中的纤维连接蛋白、基质金属蛋白酶-9(MMP-9)和S100A9,因此显示出抑制转移的作用。
抑制MDSC
在PMN的免疫抑制细胞中,MDSC在PMN的形成中起着关键作用,可抑制CD8+T细胞的活性。因此,抑制MDSC的募集是预防转移的有效途径。
纳米技术已被应用于干预MDSC的早期募集。低分子肝素和生育酚琥珀酸盐被用于自组装成胶束纳米颗粒(LT NPs)。前者通过竞争性结合抑制P-选择素/PSGL-1介导的粒细胞源性抑制细胞(g-MDSCs)的外渗,后者通过竞争性结合抑制MMP-9在g-MDSCs中的表达。此外,PMN中MDSCs的缺失是另一种抑制转移的方法。Ni等人报道,铪DBP(5,15-二(对苯甲酸)卟啉),一种纳米级金属有机物,联合αPD-L1在原位乳腺癌肺转移模型中表现出出色的抗肿瘤活性和抗转移作用。进一步研究表明,抗转移作用来自肺中单核细胞MDSC(mMDSC)和粒细胞MDSC的减少,以及原发肿瘤中mMDSC的减少。
阻断致癌EV
外泌体是原发性肿瘤细胞和基质细胞的重要信使,可重塑远端器官的微环境。干扰EVs可以阻断原发肿瘤传递的信号,可能有助于治疗。
干扰外泌体的一个有希望的策略是直接消除循环中的外泌体。Xie等人创新性地提出通过纳米颗粒的肝胆代谢途径将外泌体拖入小肠。具体而言,他们设计了表皮生长因子受体靶向适配体,其偶联带正电的介孔二氧化硅纳米颗粒上,以识别和结合血液中带负电的外泌体。体内实验表明,这些纳米材料有效地增加了肝脏和小肠中外泌体的分布。
应用于术后免疫治疗
为了解决手术后的复发问题,各种纳米免疫调节剂已经被开发出来用于手术切除后的免疫治疗。Gu小组开发了一种纳米制剂,可以喷洒到肿瘤切除腔中,喷洒后可原位形成免疫治疗性纤维蛋白凝胶,并通过逐渐释放抗CD47抗体阻断CD47和SIRPα的相互作用,诱导巨噬细胞吞噬肿瘤细胞。这种纳米制剂可以有效地抑制手术后局部和远处的肿瘤复发。
纳米材料辅助的术后免疫治疗在防止生长在特殊部位的肿瘤长期复发方面具有更大的优势,而在这些部位切除额外的组织是非常不可取的,例如脑肿瘤。Jiang和同事提出了一种可注射的自制寡肽水凝胶系统,该系统可促进胶质母细胞瘤手术切除后的肿瘤特异性免疫反应,有效防止小鼠脑肿瘤复发。该水凝胶充当CXCL10和肿瘤归巢免疫纳米调节剂(THINR)共递送的药物库。在手术腔中给药后,前体溶液形成水凝胶并随时间释放,其中包括米托蒽醌和靶向IDO的小干扰RNA(siIDO1)。米托蒽醌和siIDO1在内化后的酸性环境中分解释放,并对肿瘤细胞产生免疫调节作用,从而激活循环T细胞并缓解Treg的免疫抑制。激活的T细胞随后被CXCL10招募到大脑,以攻击残留的肿瘤细胞。
与全身给药相比,纳米材料的局部给药有可能通过限制器官暴露而减少不良反应,同时提高受影响区域内的药物浓度。由于肿瘤特异性免疫的激活和长期免疫记忆的形成,局部区域纳米材料辅助术后免疫治疗是预防肿瘤手术切除后复发的一种可行策略。
小结
纳米免疫调节剂不仅能有效地消除原发性肿瘤,而且对远端转移具有良好的抑制作用,可预防复发。此外,纳米材料可以用作多功能平台,以补充各种免疫疗法的不足。更多的免疫治疗组合、人工免疫细胞和新纳米材料的出现,它们将深刻影响治疗难治性和转移性癌症的能力。
参考文献:
1．Nanotechnology-enhanced immunotherapy formetastatic cancer． Innovation (N Y)． 2021 Nov 28; 2(4): 100174．
纳米技术免疫细胞肿瘤
