國家納米科學中心Adv. Mater. 綜述：定制納米材料靶向腫瘤相關巨噬細胞

【引言】

腫瘤免疫治療能夠調節自身免疫系統并恢復機體正常的抗腫瘤免疫反應。腫瘤免疫治療基礎研究的關鍵進步已經在臨床試驗中取得顯著的治療效果，極大改善了惡性腫瘤患者的生活質量。腫瘤免疫治療主要包括過繼性細胞免疫治療，免疫檢查點抑制劑，癌癥疫苗以及免疫系統調節劑。其中臨床發展最快的免疫檢查點抑制劑主要包括抗程序性死亡蛋白1（programmed death 1, PD-1）抗體以及細胞毒性T淋巴細胞抗原4（cytotoxic T-lymphocyte antigen 4, CTLA-4）抑制劑。。實際上，通過腫瘤免疫治療充分激活免疫系統是一個緩慢的過程，尤其對于晚期癌癥患者。同時，患者的特異性免疫狀態、遺傳、腫瘤類型和環境暴露等諸多因素都會影響腫瘤免疫治療的效果。納米材料由于其多樣的物理和化學性質可以用作免疫調節劑，然而對免疫系統的毒性以及腫瘤的低響應率仍然是腫瘤免疫納米藥物在臨床前和臨床開發中面臨的兩個重要瓶頸。

【成果簡介】

近日，國家納米科學中心陳春英研究員（通訊作者）在Advanced Materials上發表了題為“Tailoring Nanomaterials for Targeting Tumor-Associated Macrophages”的綜述。在該綜述中，首先總結了靶向腫瘤相關巨噬細胞(TAM)的效應機制以及新型免疫納米藥物開發的機制。然后討論了使用不同類型的納米顆粒靶向TAM進行免疫治療以及對TAMs進行成像以預測患者臨床治療效果等進展。最后，強調了靶向TAM納米材料的重要性以及目前存在的挑戰和機遇，指出總體目標是利用納米材料發展安全高效的腫瘤免疫治療。留學生Muhammad Ovais和郭夢雨同學為共同第一作者。

【圖文導讀】

圖1 用于靶向TAM信號傳導途徑的納米-生物界面

圖2 目前正在進行臨床試驗研究的抗TAM藥物的篩選

圖3 靶向TAM生物材料的設計

(A) 從B. striata制備阿侖膦酸多糖的示意圖；

(B) PLL-PLC多肽和sPEG/GLC納米顆粒制備示意圖；

(C) 糖聚合物及其非糖類似物F-POEG-b-PS的設計和自組裝；

(D) 環糊精納米顆粒及其藥物負載的示意圖；

(E) 被動靶向腫瘤的IL-12-P1納米顆粒的示意圖；

(F) CaBP納米顆粒的制備示意圖；

(G) BSA-AuNR的制備過程；

(H) 金納米顆粒與TAMs靶向多肽和硫醇化抗VEGF siRNA的綴合示意圖；

(I) CpG-GO的合成及其免疫刺激作用示意圖。

圖4 利用脂質體負載的CCR2 siRNA可抑制腫瘤生長，減少TAM數量

(A) 通過X射線CT測量腫瘤大小；

(B) 用對照siRNA或siCCR2處理后腫瘤的FACS分析；

(C) 腫瘤內單核細胞的免疫組化評估；

(D) 腫瘤內血管內皮生長因子的免疫組化評估；

(E) 腫瘤內血管密度的免疫組化評估。

圖5 TAM靶向的癌癥免疫治療

(A) 基于納米顆粒的光響應ROS生成性質，逆轉TAM表型進行癌癥免疫治療的示意圖；

(B) 0、5和12天時不同組別BALA/c小鼠腫瘤部位的生物發光成像；

(C) 不同組別BALA/c小鼠的腫瘤生長曲線；

(D) 不同組別BALA/c小鼠的生存曲線。

圖6 納米顆粒用于逆轉TAM表型的癌癥免疫治療

(A) MAN-PHP-PLGA和MAN-PHP-PLGA-N納米顆粒制備示意圖；

(B) MAN-PHP-PLGA和MAN-PHP-PLGA-N納米顆粒的TEM圖像和尺寸分布圖；

(C) 4T1原位腫瘤小鼠的生物發光成像。

圖7 不同分型巨噬細胞的形態學表征及腫瘤治療情況

(A) 腫瘤免疫微環境示意圖；

(B) 不同分型巨噬細胞的形態學表征；

(C) 利用形態學測定不同小分子藥物對小鼠巨噬細胞的極化作用；

(D) CDNP納米顆粒的SEM圖像；

(E) 納米顆粒載藥量計算；

(F) 腫瘤內TAM激光共聚焦顯微鏡圖像；

(G) 治療后第8天的腫瘤面積；

(H) 不同組別小鼠生存曲線。

圖8 納米顆粒CDNPs靶向TAM

(A, B) 通過激光共聚焦顯微鏡確定CDNP-VT680的分布情況；

(C) 注射后24小時，觀察到CDNP-VT680從血管清除；

(D)注射后24小時，CDNP靶向分布到腫瘤部位的TAMs中。

圖9 CaBP-PEG納米顆粒相關表征及腫瘤治療效果

(A) 生理（pH 7.4）和酸性（pH 6）緩沖液中CaBP-PEG納米顆粒的TEM圖像；

(B) DiD標記的CaBP-PEG納米顆粒在RAW264.7細胞的定位情況；

(C) CaBP-PEG納米顆粒在不同細胞中的半數致死濃度（IC50）；

(D) 不同組別小鼠的腫瘤體積曲線；

(E) 不同處理后腫瘤中F4/80陽性細胞的統計分析；

(F) 不同處理后小鼠血清中IL-10的含量。

圖10 Ferumoxytol抑制腫瘤生長

(A) 與癌細胞和Ferumoxytol共培養后，巨噬細胞相關極化基因變化；

(B, C) 與癌細胞和Ferumoxytol共培養后，巨噬細胞TNF-α表達增加而IL-10分泌減少；

(D) 與未處理的對照相比，Ferumoxytol抑制腫瘤生長；

(E，F) 有無Ferumoxytol處理，在植入癌細胞后7天（E）及21天（F）獲得的MMTV-PyMT腫瘤切片的免疫熒光染色，其中CD11b（紅色）、CD206（紅色）和CD80（綠色）；

(G, H) 生物發光成像監測肝腫瘤生長；

(I, J) 通過CD80和CD206標記，流式細胞儀測定組織駐留和浸潤的巨噬細胞均向M1表型極化。

圖11 載有多肽及RNA的金納米顆粒殺傷TAM和癌細胞

(A) 不同處理后，人肺腺癌腫瘤荷瘤小鼠的實時成像；

(B) 不同處理后小鼠肺組織生物發光成像；

(C) 不同組別小鼠腫瘤生長曲線。

圖12 巨噬細胞與TiO2-M的相互作用

(A) SEM圖像顯示活化的巨噬細胞；

(B) A圖中方形區域的放大圖；

(C) 顆粒簇的EDX分析。

圖13 巨噬細胞吞噬金屬富勒醇

(A) Gd @ C₈₂(OH)₂₂納米粒子的Gd M-edge NEXAFS譜圖；

(B) 小鼠原代腹腔巨噬細胞內Gd@C₈₂(OH)₂₂的軟X射線STXM雙能量對比圖像；

(C) 小鼠原代腹腔巨噬細胞和RAW264.7細胞攝取的Gd@C₈₂(OH)₂₂在不同時間的軟X射線STXM雙能量對比圖像；

(D) 小鼠原代腹腔巨噬細胞在不同時間攝取的Gd@C₈₂(OH)₂₂的ICP-MS定量分析。

圖14 Gd@C₈₂(OH)₂₂和C₆₀(OH)₂₂納米顆粒激活巨噬細胞

(A) 用在有無NF-κB通路抑制力情況下，下室巨噬細胞對上室中的B16細胞的殺傷情況，活細胞（綠色），死細胞（紅色）；

(B) CCK-8測定B16細胞的活力；

(C) ELISA測定細胞培養上清液中TNF-α、IL-1β和IL-6的表達。

圖15 Macrin實現靶向TAM的體內成像

(A) 通過SEM測量Macrin顆粒直徑的分布；

(B) C57BL/6小鼠注射Macrin顆粒24小時后雙側后腿MC38腫瘤PET/CT成像重建；

(C) MC38腫瘤體內激光共聚焦成像；

(D) 基于(C)圖，通過熒光數據分析Macrin體內攝取情況；

(E) MC38細胞及骨髓來源的巨噬細胞對VT680-Macrin的體外攝取情況。

圖16 監測TAM預測不同納米藥物的治療效果

(A) 整個肺葉中的Macrin（白色）、PLGA-PEG納米顆粒（紅色）和GFP⁺ KP腫瘤（綠色）分布情況；

(B) 肺部腫瘤對Macron的攝取；

(C) 肺部腫瘤對PLGA-PEG 納米顆粒的攝取；

(D) 納米顆粒在非腫瘤組織中的分布；

(E) 不同處理后，腫瘤對納米顆粒攝取的相關性；

(F) 不同大小KP腫瘤對PLGA-PEG 納米顆粒的攝取。

【小結】

在該綜述中，作者總結了TAMs相關生物學機制和TAMs的靶向策略（第2節和第3節），重點關注了靶向TAMs生物材料的設計（第4節），最后概述了通過納米顆粒成像TAMs的研究進展（第5節）。作者著眼于癌癥免疫納米醫學領域的未來發展，強調了癌癥免疫納米醫學已經成為溝通納米技術、腫瘤學和免疫學等不同領域的橋梁和紐帶。此外，作者還指出：1. 利用高通量方法進行全面的表型分析有望為開發專門針對TAMs的先進材料提供有力數據；2. 跟蹤納米顆粒在細胞內的運輸行為對于癌癥免疫治療和成像具有重要意義；3.靶向TAMs的納米藥物在臨床轉化前，仍需要進一步的機制研究從而提供更個性化的治療方案和更有效的靶向治療。

文獻鏈接：Tailoring Nanomaterials for Targeting Tumor-Associated Macrophages?(Adv. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adma.201808303)

【團隊介紹】

課題組建于2006年6月，隸屬于中科院納米生物效應與安全性重點實驗室，由研究員、副研究員，高級工程師、助理研究員及博士后、博士生、碩士生、聯合培養學生構成。本課題組先后承擔科技部國家重點研發計劃納米專項、973項目課題、國家自然科學基金、歐盟地平線2020項目、歐盟第六、第七框架計劃(EU-FP6&FP7)、國際原子能機構協調研究計劃(IAEA)等多項國內與國際合作項目。在國際重要期刊發表論文200余篇，中國授權專利18項，國際授權專利1項。課題組長陳春英研究員于2018年獲“國家自然科學二等獎”，2017年被評為中國科學院第五屆“十大杰出婦女” ，2014年獲中國青年女科學家獎，多次入選全球高引用科學家，2011年獲“中國標準化杰出人物—創新人物獎”，2012年獲“國家自然科學二等獎(2)”。2018年當選亞洲毒理學會秘書長。課題組內優青1人，學生榮獲國家獎學金5人，朱李月華獎1人，優秀畢業生1人，優秀學生標兵3人，2017年諾貝爾獎獲得者大會中國參會代表1人。

【團隊在該領域的工作匯總】

團隊針對納米材料特別是碳納米材料的免疫學效應進行了一系列的研究。我們發現降低血液蛋白分子在納米材料表面的吸附和調理作用，是調控其生物醫學特性與功能的關鍵之一。富勒醇的金屬衍生物，Gd@C₈₂(OH)₂₂具有較好的免疫刺激作用及較低的毒副作用，通過刺激T細胞和巨噬細胞分泌促炎因子TNF-а和IFN-γ來抑制腫瘤生長¹。同時，我們利用同步輻射技術檢測了金屬富勒醇在巨噬細胞內的分布情況，深入研究了金屬富勒醇激活巨噬細胞的具體機制²。我們也利用金屬富勒醇處理后極化為M1型的巨噬細胞對荷瘤小鼠進行細胞回輸治療，發現M1型巨噬細胞通過分泌促炎因子達到了明顯的抑瘤效果。

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【相關優質文獻推薦】

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