蘇州大學劉莊團隊Adv. Mater.：ATP反應智能水凝膠釋放免疫佐劑與重復化療或放療同步，以提高抗腫瘤免疫響應

【引言】

化療和放療仍是目前臨床上治療各類癌癥的主流方法，除了直接殺傷腫瘤細胞外，近年來的許多研究發現，化療中的某些化療藥物（蒽環類和奧沙利鉑）或放療中的電離輻射可誘導免疫原性細胞死亡（ICD），這是一種獨特的細胞死亡途徑，與垂死細胞釋放的內源性危險信號有關，在ICD過程中，腫瘤細胞會發生自噬，而鈣網蛋白（一種可以刺激樹突狀細胞（DC）吞噬細胞的內質網鈣結合蛋白）暴露在細胞表面，同時，釋放高遷移率組蛋白B1，促進樹突狀細胞與垂死的腫瘤細胞之間形成穩定的連接。而腫瘤細胞內旺盛代謝產生的高濃度三磷酸腺苷（ATP）被大量釋放，從而將DCs募集到腫瘤病灶內。上述事件會引起免疫系統的警覺，引發抗腫瘤免疫反應。盡管化療或放療可誘導ICD過程，但大多數病例化療或放療后產生的抗腫瘤免疫應答不夠強，特別是在控制腫瘤轉移方面，這可能是由于患者對化療和放療的耐受性差，以及個體之間免疫的差異。因此，加強化療和放療引起的免疫反應有望減少藥物和放療劑量，同時提高抗腫瘤療效。免疫佐劑是通過增強抗原提呈細胞（APCs）對抗原的加工和提呈效率，從而顯著提高抗原的免疫原性，從而刺激免疫應答的輔助刺激物。由于ICD后腫瘤相關抗原暴露在癌細胞碎片中，在ICD誘導治療過程中向腫瘤中引入免疫佐劑已被證明可以非常有效的增強抗腫瘤免疫應答，并產生協同治療結果。由于全身注射免疫佐劑可能導致嚴重的副作用，如細胞因子風暴，因此局部注射經常被用于直接注射免疫佐劑進入腫瘤。然而，在大多數臨床病例中，反復應用低劑量化療或放療，每次間隔幾天以減少副作用。因此，在一個療程的化療或放療中，多次經皮穿刺給腫瘤注射免疫佐劑是不現實的。

【成果簡介】

近日，在蘇州大學劉莊教授（通訊作者）等人帶領下，藻酸鹽與三磷酸腺苷（ATP）特異性適配體結合，與免疫佐劑CpG寡核苷酸雜交。在腫瘤內注射后，在原位形成藻酸鹽基水凝膠。低劑量奧沙利鉑或X射線在誘導腫瘤細胞ICD的同時，可以觸發ATP的釋放，而ATP與ATP特異性適配體競爭性結合，從而觸發CpG的釋放。因此，智能水凝膠可以釋放與低劑量重復化學/放射療法同步的免疫佐劑，在消除已形成的腫瘤方面實現顯著的協同反應，同時還可以通過免疫記憶拒絕再挑戰的腫瘤。此外，由智能水凝膠輔助的反復放療可以抑制遠處的腫瘤轉移，尤其是與免疫檢查點阻斷聯合使用。該研究提出了一種概念上的新策略，以臨床相關的方式加強與反復低劑量化學/放射治療相一致的癌癥免疫治療。該成果以題為“ATP‐Responsive Smart Hydrogel Releasing Immune Adjuvant Synchronized with Repeated Chemotherapy or Radiotherapy to Boost Antitumor Immunity”發表在了Adv. Mater.上。論文第一作者孫樂樂博士后。

【圖文導讀】

圖1 由ALG、ATP特異性適配體和CpG-cApt組成的智能水凝膠的結構示意圖

A）由ALG、ATP特異性適配體（Aapt）和CpG-cApt組成的智能水凝膠的結構示意圖。

B）在化療或放療期間，智能水凝膠能夠響應化療或放療中腫瘤細胞釋放的ATP，釋放免疫佐劑CpG ONDs。免疫佐劑的同步釋放可以協同低劑量重復化療或放療，增強抗腫瘤免疫應答。

圖2 構建智能水凝膠，實現?ATP響應性CpG釋放

圖3 化療和輻射誘導的ATP釋放和ATP響應的原位CpG釋放

A）ICD過程中OxPt或X射線觸發死亡腫瘤細胞釋放ATP的示意圖。

B）用OxPt以濃度梯度處理后，CT26細胞培養上清液中的ATP濃度。

C）CT26細胞培養上清液經不同劑量梯度X射線處理后的ATP濃度。

D）體內生物發光圖像，顯示不同治療后腫瘤內ATP水平。

E）對應于（D）的統計數據。

F）體內生物發光圖像，顯示不同治療后腫瘤內ATP水平。

G）對應于（D）的統計數據。

I–L）注射或不注射OxPt后，瘤內注射游離ALG+CpG-Cy5或ALG-Aapt/CpG-Cy5后第0天和第3天體內熒光圖像。?

M–P）對應于（I-L）的統計數據。

圖4 化療輔助ATP響應的CpG釋放水凝膠治療結腸癌

A）化療結合ATP反應性CpG釋放治療CT26小鼠結腸腫瘤和免疫記憶評估的示意圖。

B）不同治療方法下CT26腫瘤小鼠的腫瘤生長曲線。

C）不同治療后CT26腫瘤小鼠的存活率。

D）DC成熟水平和E)不同治療后腫瘤中CD8+T細胞的百分比。

F）IFNγ水平和G）TNFα水平在不同治療后5天測量腫瘤。

H）流式細胞技術結果，顯示幼鼠(左)和治愈小鼠(右)CD8+ T細胞中Tem的百分比。

I）與（H）對應的統計結果。

J）在幼鼠和治愈小鼠上再次受到挑戰的腫瘤的腫瘤生長曲線。

K）幼鼠和治愈小鼠的存活率。

圖5 放療輔助ATP反應的CpG釋放水凝膠治療結腸腫瘤

A）實驗設計的示意圖。

B）不同組小鼠CT26腫瘤個體生長曲線。

C）對應于B）的腫瘤生長統計曲線。

D）不同治療下CT26腫瘤小鼠的存活率。

E）流式細胞技術結果顯示了ALG‐Aapt/CpG + RT治療后，幼鼠（左）和治愈的小鼠的CD8+T細胞中Tem的百分比（右）。

F）對應于E）的統計結果。

G）在幼鼠和治愈的小鼠上再次受到挑戰的腫瘤的腫瘤生長曲線。

H）幼鼠和治愈的小鼠的存活率。

圖6?ATP反應性CpG釋放水凝膠和免疫檢查點阻斷輔助放射治療的作用

A）利用ATP反應的CpG釋放水凝膠和免疫檢查點阻斷來抑制遠處腫瘤生長的放射治療示意圖。

B）右側不同治療方式下的腫瘤生長曲線。

C）左側不同治療方式下的腫瘤生長曲線。

D）如所示，接受不同治療的CT26荷瘤小鼠的存活率。

E）DC成熟水平，F）CD8+T細胞在右側腫瘤，G）左側腫瘤中的百分比。

H）右側（R-腫瘤）和左側（L-腫瘤）腫瘤中的IFNγ水平和I）TNFα水平。

J）ATP反應性CpG釋放水凝膠輔助放射治療誘導外膜效應的機制示意圖。

?圖7?放療輔助ATP反應的CpG釋放水凝膠和免疫檢查點阻斷的原位4T1乳腺癌治療

A）由ATP反應的CpG釋放水凝膠和免疫檢查點阻斷輔助放射治療4T1乳腺癌原位治療的示意圖。

B）不同治療方式下原發4T1腫瘤的生長曲線。

C）4T1小鼠在不同治療后的存活率。

D）第27天采集的4T1攜帶腫瘤的BALB/c小鼠肺組織的代表性照片和H&E染色。黑色箭頭顯示4T1乳腺腫瘤肺轉移灶。

【小結】

綜上所述，團隊利用海藻酸鈉和ATP特異性適配體構建了一種原位ATP響應性CpG釋放智能水凝膠，可用于提高低劑量下反復應用化療或放療的抗腫瘤療效。在設計中，將具有延伸序列的CpG ODNs與ATP適配體雜交，預結合到ALG上，ALG是一種天然多糖，在Ca²⁺的作用下形成水凝膠。在腫瘤局部注射后，原位形成的ALG-Aapt/CpG智能水凝膠具有長期保留腫瘤的功能，一旦應用ICD誘導的化療（用OxPt）或放療（用X射線），就可以釋放CpG，以響應死亡的腫瘤細胞泄漏的ATP釋放CpG。CpG將提高腫瘤相關抗原的免疫原性抗原，大大增強化療或放療后的抗腫瘤免疫力，從而在抑制已建立的腫瘤和抑制再挑戰的腫瘤方面產生顯著的協同治療反應，后者是通過產生的長期免疫記憶效應實現的。此外，進一步發現，智能水凝膠增強的RT觸發的抗腫瘤免疫反應可以與免疫檢查點阻斷協同作用，有效地抑制遠處的腫瘤轉移。智能水凝膠的獨特優勢是，它可以讓佐劑釋放與化療或放療同步，低個體劑量反復應用較長時間，大大提高其抗腫瘤治療的療效。這種策略與臨床實踐特別一致，在一個治療過程中，化療或放療通常以低劑量進行多次，以便在獲得高治療反應的同時減少副作用的最佳平衡。智能水凝膠含有天然多糖（ALG）和DNA，具有良好的生物相容性，因此具有顯著的臨床轉化潛力。

文獻鏈接：ATP-Responsive Smart Hydrogel Releasing Immune Adjuvant Synchronized with Repeated Chemotherapy or Radiotherapy to Boost Antitumor Immunity（Adv. Mater.，2021，DOI:10.1002/adma.202007910）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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