林文斌團隊Chem報道: 納米金屬有機骨架調控自由基療法來增強癌癥免疫治療

【引言】

眾所周知，腫瘤可以逃避免疫監視，通過調節信號通路紊亂、劫持免疫抑制細胞和細胞因子、耗竭效應細胞（T細胞）和分子，從而避免被免疫系統消除。阻斷程序性細胞死亡蛋白-1（PD-1）及其與配體（PD-L1）等免疫抑制途徑，可以恢復全身性抗腫瘤免疫，使得被批準的幾種抗PD-1和抗PD-L1抗體作為治療癌癥患者的有效方法。然而，單獨靶向PD-1和PD-L1的CBI不能在非免疫原性腫瘤患者中引起足夠的反應。目前，常用的光動力療法（PDT）和化學動力療法（CDT）等自由基療法利用腫瘤微環境（TME）中的外部刺激或內源性觸發產生的活性自由基（ROS）來殺死腫瘤細胞。但是TME中存在的還原性物質、缺氧環境以及內源性H₂O₂不足，都降低了ROS殺腫瘤細胞的效果。因此，需要開發新策略來克服這些不利因素以增強自由基療法的療效。研究發現高表達的血清雌二醇（E2），一種主要的雌激素，與癌癥風險增加有關。E2主要與雌激素受體ERα和ERβ結合，其表達水平直接影響細胞增殖，細胞周期停滯，最終影響腫瘤發生。已有研究證明通過在生物可利用的Cu²⁺離子催化雌激素會產生ROS，進而與DNA形成穩定的加合物。因此，將自由基療法和癌癥免疫治療相結合，有望克服彼此之間的缺點，以達到更好的治療效果。

【成果簡介】

近日，美國芝加哥大學的林文斌教授（通訊作者）課題組報道了一種新型的納米金屬有機骨架（nMOF）調控的自由基療法。該療法利用Cu²⁺催化E2誘導的CDT和光驅動的PDT，從而在具有高E2表達的小鼠模型中實現局部腫瘤控制與免疫激活，并將自由基療法與CBI結合以協同治療皮下黑色素瘤。基于Cu-TBP的酸響應性降解，nMOFs可以在腫瘤內有效釋放Cu²⁺和H₄TBP。其中，Cu²⁺催化E2代謝以產生H₂O₂，進而生成羥基自由基和超氧化物物質，而H₄TBP介導光觸發的PDT。nMOFs調控的CDT同時消耗腫瘤內E2并抑制腫瘤生長。結合抗PD-L1抗體使得nMOFs調控的自由基治療不僅可以根除局部腫瘤，而且還可以通過同系B16F10黑色素瘤癌癥模型中的全身抗腫瘤免疫來消退遠處腫瘤。此外，作者還對免疫反應進行了分析，以進一步了解雙重觸發的基因治療與協同CBI引起的局部效應。研究成果以題為“Nanoscale Metal-Organic Framework Mediates Radical Therapy to Enhance Cancer Immunotherapy”發表在國際著名期刊Chem上。
本文亮點：

1、銅離子催化的雌激素代謝途徑被用于化學動力治療；

2、基于酸響應的nMOF釋放的Cu²⁺和H₄TBP分別用于化學動力治療和光動力療法生成不同自由基；

3、自由基療法與免疫檢查點阻斷法協同作用以治療遠處腫瘤。

【圖文解讀】

圖一、Cu-TBP的表征和細胞內行為
（A）Cu₂(COO)₄的俯視圖和側視圖；

（B）TBP橋連配體的化學結構；

（C）Cu-TBP的結構顯示2D網絡的sql拓撲結構；

（D, E）Cu-TBP的透射電子顯微鏡（TEM）圖和高分辨率TEM圖像及其快速傅立葉變換（FFT）圖；

（F）Cu-TBP的模擬和實驗粉末X射線衍射（PXRD）圖；

（G）動態光散射（DLS）測量水中Cu-TBP的粒徑；

（H）Cu-TBP和H₄TBP的UV-vis光譜；

（I）Cu-TBP在不同pH下420 nm激發的發射光譜；

（J）通過游離H₄TBP的UV-vis吸收定量分析不同pH下Cu-TBP的分解情況；

（K）相同TBP濃度為20 μM的孵育1, 2, 4或8 h后，Cu-TBP或H₄TBP的細胞攝取率；

（L）激光共聚焦監測Cu-TBP或H₄TBP的時間依賴性細胞攝取率；

（M）流式細胞術檢測到的等效TBP濃度的Cu-TBP或H₄TBP的時間依賴性細胞攝取率。

圖二、激素和光引發ROS的生成
（A）激素誘導的Cu催化的ROS產生過程；

（B）五種不同混合物的組合用于產生H₂O₂和?OH；

（C）基于過氧化氫試劑盒的熒光來定量在A-E中產生的H₂O₂；

（D）利用香豆素酸測定法定量在A-E中產生的?OH；

（E）由Cu²⁺和4-OHE2產生的O^2-的BMPO加合物的EPR光譜；

（F）利用流式細胞術定量分析香豆素-3-羧酸產生?OH的量；

（G）用SOSG和超氧化物試劑盒檢測光照射下PBS、CuCl₂、H₄TBP或Cu-TBP處理的細胞產生的¹O₂和O^2-。

圖三、nMOF調控產生的ROS的體內及體外抗癌功效
（A）沒有或有光照下，利用PBS、CuCl₂、H₄TBP或Cu-TBP處理的B16F10細胞的光學圖；

（B, C）沒有或有光照下，CuCl₂、H₄TBP或Cu-TBP處理的B16F10細胞毒性（MTS）測定；

（D）B16F10細胞的膜聯蛋白V/PI分析；

（E）γ-H₂AX測定在光照射下用PBS、CuCl₂、H₄TBP或Cu-TBP處理的B16F10細胞中的DNA雙鏈斷裂；

（F）光照射時用PBS、CuCl₂、H₄TBP或Cu-TBP處理的B16F10細胞的COX-2表達；

（G, J）H₄TBP或Cu-TBP與用或不用光照對攜帶B16F10的C57BL/6小鼠和攜帶SKOV-3的裸鼠的抗癌效力；

（H, I）在中處理的第15天切除的B16F10腫瘤的照片和重量；

（K, L）治療8天后對B16F10模型的腫瘤內雌二醇的測定和治療3天后的SKOV-3模型的測定。

圖四、免疫原性和遠位效應
（A, B）通過流式細胞術和共聚焦顯微鏡檢測光照射后，用PBS、CuCl₂、H₄TBP或Cu-TBP處理的B16F10細胞表面上的CRT暴露；

（C）用或不用光照射，通過共聚焦顯微鏡測定PBS、CuCl₂、H₄TBP或Cu-TBP處理的巨噬細胞對CFSE標記的B16F10細胞的吞噬作用；

（D, E）用或不用光照射，通過流式細胞術測定PBS、CuCl₂、H₄TBP或Cu-TBP處理的樹突細胞對CFSE標記的B16F10細胞的吞噬作用；

（F, G）用PBS、α-PD-L1、Cu-TBP或Cu-TBP加上α-PD-L1處理的B16F10荷瘤小鼠的平均開始和遠處腫瘤生長曲線；

（H）用PBS、α-PD-L1、Cu-TBP、或Cu-TBP加α-PD-L1處理的B16F10荷瘤小鼠的存活曲線。

圖五、腫瘤特異性免疫應答
（A）通過流式細胞術定量分析的初始和遠處腫瘤中T細胞；

（B-G）用PBS、α-PD-L1、Cu-TBP或Cu-TBP加α-PD-L1處理的腫瘤浸潤（B）CD45⁺細胞、（C）CD4⁺T細胞、（D）CD8⁺T細胞、（F）巨噬細胞和（G）樹突細胞占總腫瘤的百分比；（E）10 μg/mL SVYDFFVWL肽刺激42 h后測定荷瘤小鼠脾臟細胞內能生成IFN-γT細胞的比例。

【小結】

綜上所述，作者報道使用的銅卟啉納米金屬有機框架（nMOF）來調控協同激素觸發的化學動力治療（CDT）和光引發的光動力治療（PDT）。通過CDT和PDT兩種自由基（ROS）介導的局部療法與PD-L1阻斷的組合，在具有高水平雌二醇的免疫活性小鼠腫瘤模型上展現的遠隔效應有效地擴展了CDT和PDT對遠處腫瘤的局部治療效果。因此，該研究確定了將nMOF調控的自由基治療與CBI相結合以在激素失調的腫瘤表型中引發全身性抗腫瘤免疫的可行性。

該工作的第一作者為芝加哥大學的四年級博士生倪開元，通訊作者為著名華人化學家林文斌教授。

文獻鏈接：Nanoscale Metal-Organic Framework Mediates Radical Therapy to Enhance Cancer Immunotherapy. (Chem, 2019, DOI: 10.1016/j.chempr.2019.05.013)

團隊（通訊作者）簡介

林文斌教授于1994年在美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校化學系獲博士學位。1994至1997年在美國西北大學從事博士后研究。1997年至2001年在美國布蘭迪斯大學化學系任助理教授。2001年到2013年任職于美國北卡羅來納大學教堂山分校，并于2011年被聘為Kenan 杰出教授。2013年起擔任美國芝加哥大學化學系James Frank教授席位。系中國科學院海外顧問組成員，香港研究資助委員會自然科學部委員(2012-2013年度兼任主席)，美國國立衛生研究院 NANO Study Section 常務會員。2011年入選美國科學促進會會士(AAAS fellow)

林文斌教授所領導的研究團隊是國際上最早進行理性設計合成金屬－有機框架材料的團隊之一，主要研究領域為功能材料、手性催化、光催化、納米醫學及化學藥物設計等。林文斌教授研究組在2005年首次成功開發出有高手性選擇性的金屬有機框架化合物不對稱催化劑，同時在利用金屬有機框化合物發展非線性光學材料及人工光合作用方面的研究走在國際前列，所發展的具有二階非線性光學性質的金屬有機材料是是最早進行晶體工程方法控制金屬有機化合物的嘗試之一。近年來，林文斌教授團隊創造性地開發了多種基于金屬有機框架納米粒子的生物可降解性、高藥物載量以及分子可調控性的新型納米抗癌藥物并率先報導了局部納米藥物遞送用于局部免疫激活與系統性免疫治療相結合的癌癥治療新思路。為了推動相關產品的臨床轉化，林文斌教授創立了名為Coordination Pharmaceuticals的生物醫藥公司，目前已有三種藥物開始臨床I期研究。

林文斌教授目前已在包括Nat. Chem.，Nat. Biomed. Eng., Nat. Commun., Chem, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed，等世界頂級雜志上發表文章340余篇，文章被引用超過46000次(h-index >100) ，同時他還擔任多本著名雜志的顧問，比如Chem. Sci., Chem. Mater., ACS Catal, Inorganic Chemistry Frontiers 和Asian J. Org. Chem.等，林文斌教授在科研工作中取得的卓越成就，使其于2009年入選由發表文章影響因子確定的1999-2009年度全球“十大化學家”(“Top ten chemists”，by Thomson Reuters)。

工作匯總及相關文獻

在納米醫學與免疫治療結合方面，林文斌教授團隊已發表系列工作，包括首次實現光動力治療與免疫治療相結合（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138 (38), 12502-12510）,以及進一步克服腫瘤乏氧的光動力治療結合檢查點阻斷免疫治療（J. Am. Chem. Soc. 2018,140 (17), 5670-5673）；首次系統比較了不同放療增敏劑與輻射增強的構效關系用于提高遠位效應（Nature communications，2018， 9 (1), 2351）； 首次提出了輻射動力學療法用于結合免疫治療（Nature Biomedical Engineering，2018，2 (8), 600）。這一系列開創性工作實現了利用納米金屬有機框架介導局部療法提高腫瘤炎性并協同免疫檢查點阻斷劑實現系統性抗腫瘤免疫激活的構想。

本文由CQR編譯。

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