北化工&過程工程研究所 AM：首次利用免疫調節增強基于納米酶的催化治療腫瘤

【背景介紹】

納米酶是一類既有納米材料的獨特性能，又有催化功能的模擬酶。其具有催化效率高、穩定、經濟和易規模化制備等優勢，在醫學、化工、食品、農業和環境等領域得到廣泛應用。當前，研究人員正在大力開發基于腫瘤微環境（TME）的響應性納米酶的腫瘤催化療法。因為TME具有輕度的酸性、低氧微環境以及谷胱甘肽（GSH）和過氧化氫（H₂O₂）過表達的特異性，使得納米酶對腫瘤具有高特異性而對正常組織低毒。然而，腫瘤區域內源性H₂O₂濃度（50-100×10^-6 M）觸發納米酶的活性使得產生活性氧（ROS）的水平較低，導致期催化性能較差。因此，開發一種更有效的TME響應治療策略，以增強基于納米酶的腫瘤催化治療效果具有重要意義。在TME中，與腫瘤相關的巨噬細胞（TAMs）是數量最多的非腫瘤性免疫細胞之一，與調節性T細胞（T_reg）一起在腫瘤的生長和轉移中起著重要的作用。通常TAMs表達M2型，而M2型具有免疫抑制和促進腫瘤功能。但是，對M1型的極化可以改善免疫抑制，并增加腫瘤內H₂O₂的濃度以潛在地增強納米酶的催化活性。因此，將基于納米酶的腫瘤催化療法與TME免疫調節相結合非常有希望。

【成果簡介】

近日，北京化工大學的劉惠玉教授和中科院過程工程研究所的魏煒研究員（共同通訊作者）等人首次報道了一種利用免疫調節增強基于納米酶的腫瘤催化治療的方法法，以實現納米酶與TME調控之間的協同作用。作者首先制備了H₂O₂響應性的硅酸錳鐵納米顆粒（IMSN）納米酶，隨后將TGF-β抑制劑（TI）加載到被聚乙二醇化的IMSN中形成IMSN-PEG-TI，從而實現協同治療。該策略具有以下特征：（1）IMSN表現出類過氧化物酶的活性，將H₂O₂分解為羥基自由基（?OH）殺死腫瘤細胞，同時具有類過氧化氫酶活性，將H₂O₂分解為O₂，以克服腫瘤的缺氧微環境；（2）通過重新編程的TAMs增加M1巨噬細胞的數量以產生更多的H2O2，進而增強IMSN的催化性能。實驗結果表明，IMSN納米酶在酸性TME下確實具有類過氧化物酶和類過氧化氫酶活性，可以將H₂O₂分解為羥基（?OH）和氧（O₂）。同時，還證明IMSN和TI均可調節腫瘤免疫微環境，導致巨噬細胞從M2極化到M1，以產生更多的H₂O₂，從而促進IMSN納米酶的催化活性。此外，通過體外多細胞腫瘤球體（MCTS）和體內CT26荷瘤小鼠模型實驗證明，IMSN-PEG-TI確實具有高效的抗腫瘤效果，其中在CT26腫瘤異種移植小鼠模型中以87.5％的腫瘤抑制率實現了高腫瘤治療效果。總之，利用免疫調節增強基于納米酶的腫瘤治療策略是一種殺死癌細胞的有前途的策略。研究成果以題為“Immunomodulation-Enhanced Nanozyme-Based Tumor Catalytic Therapy”發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、IMSN-PEG-TI的合成和腫瘤治療的示意圖

圖二、IMSN納米酶的結構和組成表征
（a-b）mSiO₂和IMSN的TEM圖像；

（c）IMSN的SEM圖像；

（d）IMSN的STEM圖像和相應的元素映射；

（e）通過DLS測量的IMSN的大小分布；

（f-g）IMSN的高分辨率Fe 2p和Mn 2p XPS光譜。

圖三、IMSN納米酶的類酶活性表征
（a）IMSN的類過氧化物酶活性的示意圖；

（b）在不同pH的PBS緩沖液中添加IMSN和H₂O₂后，將MB（A/A₀）的吸光度標準化；

（c）不同組中oxTMB的紫外可見吸收光譜；

（d）加入IMSN和不同摩爾濃度H2O2后，oxTMB的時間依賴性吸收；

（e-f）穩態動力學分析，以及IMSN的Lineweaver-Burk圖；

（g）IMSN的類過氧化氫酶活性的示意圖。

（h）在不同pH的PBS緩沖液中添加IMSN和H₂O₂后生成的O₂；

（i）加入IMSN和不同摩爾濃度的H₂O₂后生成的O₂。

圖四、在溶液和細胞中測試IMSN-PEG-TI
（a-c）錳離子、鐵離子和TI釋放在不同時間點與不同pH的緩沖液共孵育后IMSN-PEG-TI的釋放；

（d-e）IMSN-PEG-TI在不同條件下的T1和T2加權MR圖像；

（f）用不同濃度的TI、IMSN-PEG和IMSN-PEG-TI處理后，HUVEC的細胞存活率；

（g-h）對照組、TI、IMSN-PEG和IMSN-PEG-TI各個組在不同天數的MCTS的照片和體積；

（i）不同組的MCTS中生成的過氧化氫；

（j）MCTS中巨噬細胞分布的免疫熒光圖像；

（k）MCTS中HIF-1α的免疫熒光圖像；

（l）MCTS中GPX4表達的免疫熒光圖像。

圖五、IMSN-PEG-TI對CT26腫瘤異種移植物的體內免疫調節增強基于納米酶的腫瘤治療
（a）CT26腫瘤異種移植物建立和治療結果的示意圖；

（b-c）在15天不同治療后，攜帶CT26的荷瘤小鼠的體重變化和腫瘤體積；

（d）不同治療后攜帶CT26腫瘤的小鼠的存活率；

（e）各種治療后腫瘤切片的H＆E染色。

圖六、體內IMSN-PEG-TI誘導腫瘤微環境變化
（a）腫瘤組織中M1和M2巨噬細胞的免疫熒光圖像。

（b-d）不同組的M1至M2巨噬細胞、CD4⁺ T至T_reg細胞和CD8⁺ T至T_reg細胞；

（e）腫瘤組織中HIF-1α的免疫熒光圖像；

（f）腫瘤組織中GPX4表達的免疫熒光圖像。

【小結】

綜上所述，作者開發了一種基于免疫調節增強型納米酶的腫瘤治療策略，用于協同治療腫瘤。IMSN-PEG-TI納米復合材料是通過將H₂O₂響應性IMSN納米酶與TI整合而形成的。其中，IMSN表現出固有的類過氧化物酶和類過氧化氫酶的活性，從而可以生成?OH和O₂。IMSN納米酶和TI之間的協同作用極大地促進了IMSN納米酶的催化活性，并且調節了體內和TME中的MTCS。實驗結果表明，對于IMSNPEG-TI、GPX4的明顯下調和有效的基于鐵死亡的腫瘤治療。因此，這種基于免疫調節增強納米酶的腫瘤治療是一種有效的治療癌癥的策略，并為拓寬納米酶的生物應用提供了新的思路。

文獻鏈接：Immunomodulation-Enhanced Nanozyme-Based Tumor Catalytic Therapy（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003563）

本文由CQR編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.