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東華大學(xué)史向陽教授團(tuán)隊(duì) AS:氧化還原響應(yīng)型樹狀大分子納米凝膠通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激放大和巨噬細(xì)胞極化實(shí)現(xiàn)超聲增強(qiáng)的胰腺癌化學(xué)免疫治療
2023-06-25  來源:高分子科技

  化療是許多實(shí)體惡性腫瘤的主要治療方法,因其缺乏靶向性,會(huì)形成更適合惡性腫瘤轉(zhuǎn)移的免疫抑制性腫瘤微環(huán)境(TME)。該微環(huán)境中的腫瘤浸潤細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞(CTLs)水平較低,而免疫抑制細(xì)胞如調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Tregs)和M2型腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(TAMs)的水平較高,從而限制了化療療效。因此,選擇合適的化療藥物靶點(diǎn)和調(diào)節(jié)免疫微環(huán)境的雙重策略,將有效誘導(dǎo)機(jī)體的正向免疫應(yīng)答反應(yīng),從而達(dá)到理想的治療效果。


  在眾多化療方式中,以內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)為靶點(diǎn)的治療很有前景。眾所周知,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是蛋白質(zhì)折疊和運(yùn)輸?shù)闹饕獔鏊瑓⑴c多種細(xì)胞功能。腫瘤細(xì)胞的過度增殖導(dǎo)致錯(cuò)誤折疊和未折疊蛋白的增加,從而引發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)。為了解決這個(gè)問題,腫瘤細(xì)胞啟動(dòng)一種生存機(jī)制恢復(fù)細(xì)胞穩(wěn)態(tài),稱為未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)。IRE1α-XBP1UPR中最保守的進(jìn)化分支調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá),恢復(fù)腫瘤細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)和生存。豐加霉素(Toy)是一種嘌呤核苷類似物,通過阻斷IRE1α-XBP1信號(hào)通路,使腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生持續(xù)性的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,從而引起腫瘤細(xì)胞凋亡和免疫原性死亡(ICD。值得注意的是,持續(xù)性的化療會(huì)使腫瘤細(xì)胞表面免疫檢查點(diǎn)配體的表達(dá)上升,從而產(chǎn)生免疫逃逸。免疫檢查點(diǎn)阻斷(ICB)療法通過使用程序性細(xì)胞死亡配體1PD-L1)等抗體,可以重新激活T細(xì)胞,增強(qiáng)抗腫瘤免疫治療。


  為了實(shí)現(xiàn)腫瘤的高效治療,需要開發(fā)集診斷和治療于一體的納米平臺(tái)。金納米粒子(Au NPs)具有較高的原子序數(shù)、X射線吸收系數(shù)和良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn),在計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)成像中具有巨大潛力。同時(shí)已有研究表明,含Au NPs的樹狀大分子納米材料可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞復(fù)極化為M1型,CT成像引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的腫瘤免疫治療。


  在眾多的納米平臺(tái)中,納米凝膠(NGs)集合了納米材料和凝膠的雙重特性,具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、高水合性、高收縮擴(kuò)張?zhí)匦?/span>等優(yōu)點(diǎn),因此受到研究者的關(guān)注。TME響應(yīng)性(如氧化還原)納米凝膠一方面通過增強(qiáng)的通透和滯留效應(yīng)EPR),高效聚集在腫瘤部位,降低毒性反應(yīng);另一方面實(shí)現(xiàn)了化療藥物在腫瘤部位的精準(zhǔn)釋放,減少不良反應(yīng)。目前在眾多的聚合物納米材料中,第3代聚酰胺-胺(PAMAM)樹狀大分子(G3.NH2)具有高度的分支結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能團(tuán),因此可以作為合成納米凝膠的一種前體材料。


  腫瘤組織豐富的細(xì)胞外基質(zhì),降低了腫瘤微環(huán)境中的血流灌注,最終阻礙藥物遞送到腫瘤細(xì)胞。超聲靶向微泡破壞(UTMD技術(shù)利用微泡產(chǎn)生的瞬間空化效應(yīng)增加血流灌注,使納米材料在腫瘤部位有效富集。因此,診療一體化納米平臺(tái)在UTMD技術(shù)的聯(lián)合作用下,可以進(jìn)一步增強(qiáng)癌癥的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和高效治療。


  為實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的胰腺癌化學(xué)免疫治療,東華大學(xué)史向陽教授團(tuán)隊(duì)通過反相微乳液法合成了氧化還原響應(yīng)型的第3樹狀大分子納米凝膠(G3 NGs),隨后負(fù)載Au NPs和化療藥物Toy(Au/Toy@G3 NGs)超聲增強(qiáng)的組織穿透力和CT像指導(dǎo)下,通過靶向腫瘤細(xì)胞和免疫細(xì)胞的化學(xué)/免疫聯(lián)合治療策略,實(shí)現(xiàn)了腫瘤的高效診療1。 


1. Au/Toy@G3 NGs的合成及應(yīng)用示意圖。


  研究團(tuán)隊(duì)首先通過TEMUV-vis、粒徑和電勢(shì)變化對(duì)NGs形態(tài)、結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行表征,證明Au/Toy@G3 NGs成功合成(圖2a-f)。Au/Toy@G3 NGs在水、PBS以及DMEM中具有良好的膠體穩(wěn)定性和藥物存留穩(wěn)定性(圖2g-h,同時(shí)具有對(duì)pHGSH敏感的藥物快速釋放特性(圖2i。 


2.aAu@G3 NGs比例尺為50 nm)和(b-cAu/Toy@G3 NGs比例尺分別代表200 nm50 nmTEM;(dG3 NGsAu@G3 NGs的紫外-可見吸收光譜圖;(eG3 NGs、Au@G3 NGsAu/Toy@G3 NGs水合動(dòng)力學(xué)直徑;(fZeta電位;(gAu/Toy@G3 NGs分散于水、PBSDMEM中的水合動(dòng)力學(xué)直徑變化曲線;(hAu/Toy@G3 NGs中的Toy分別在水、PBSDMEM的穩(wěn)定性;(iAu/Toy@G3 NGs的藥物釋放曲線。


  研究團(tuán)隊(duì)通過細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞吞噬實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞凋亡實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Au/Toy@G3 NGsUTMD的聯(lián)合作用下,使得癌細(xì)胞對(duì)NGs的吞噬量增加,從而產(chǎn)生更強(qiáng)的細(xì)胞毒性和凋亡作用(圖3a-d)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明Au/Toy@G3 NGs通過Toy阻斷IRE1α-XBP1信號(hào)通路,引起的持續(xù)性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激放大,介導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡(圖3e-j)。 


3.a)不同材料處理后Pan02細(xì)胞的活力;(bPan02細(xì)胞在不同濃度Au/Toy@G3 NGsAu/Toy@G3 NGs + UTMD處理6 h后,對(duì)Au NPs的吞噬情況;(c-d)不同材料處理后Pan02細(xì)胞的凋亡流式分析和定量分析;(e)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)蛋白的Western blot實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖;(f-j)不同材料處理后Pan02細(xì)胞內(nèi)相關(guān)蛋白的表達(dá)水平。


  隨后,團(tuán)隊(duì)通過巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)型實(shí)驗(yàn)探究基于Au NPs的納米凝膠對(duì)TAMs復(fù)極化M1型的作用(圖4a)。通過激光共焦顯微鏡觀察CRT外翻、ELISA實(shí)驗(yàn)檢測(cè)損傷相關(guān)模式分子(DAMPs釋放和樹突細(xì)胞熟化實(shí)驗(yàn)探究Au/Toy@G3 NGs產(chǎn)生的ICD效應(yīng)(圖4b-g),證明經(jīng)納米藥物和UTMD聯(lián)合處理后可產(chǎn)生明顯增強(qiáng)的癌細(xì)胞ICD,可誘導(dǎo)樹突細(xì)胞熟化。 


4.aPan02經(jīng)不同實(shí)驗(yàn)組處理后的流式分析圖;(bPan02經(jīng)不同實(shí)驗(yàn)組處理后CRT的表達(dá),(cATP的分泌,(dHMGB-1的釋放情況分析圖;eTranswell示意圖;(f-g)樹突細(xì)胞的熟化情況結(jié)果分析圖。


  隨后研究團(tuán)隊(duì)在小黑鼠體內(nèi)構(gòu)建了Pan02皮下瘤模型,驗(yàn)證了UTMD促進(jìn)的Au/Toy@G3 NGs介導(dǎo)的化學(xué)免疫治療與Anti-PD-L1介導(dǎo)的免疫檢查點(diǎn)阻斷法相結(jié)合產(chǎn)生了最佳抗腫瘤效果(圖5a-d)。Au/Toy@G3 NGs + UTMD + Anti-PD-L1在對(duì)腫瘤細(xì)胞壞死、凋亡(78.2%)和抑制增殖(10.2%)方面的效果最為顯著(圖5e)。ERS相關(guān)蛋白免疫熒光染色結(jié)果顯示,Au/Toy@G3 NGs + UTMDAu/Toy@G3 NGs + UTMD + Anti-PD-L1中的XBP1s下降最顯著,而pIRE1αCHOP可以達(dá)到最高的表達(dá)水平(圖5f。 


5.aPan02小鼠體內(nèi)治療過程示意圖;(b-d)治療后小鼠體重和相對(duì)腫瘤體積變化;(e)小鼠腫瘤切片HETUNELKi67染色結(jié)果;(f)小鼠腫瘤切片XBP1s、pIRE1αCHOP染色結(jié)果。


  為了驗(yàn)證聯(lián)合治療對(duì)小鼠腫瘤微環(huán)境中巨噬細(xì)胞的影響,研究發(fā)現(xiàn)Au/Toy@G3 NGs + UTMDAu/Toy@G3 NGs + UTMD + Anti-PD-L1使TME中的M2型巨噬細(xì)胞復(fù)極化,M1型巨噬細(xì)胞比例升高(圖6a。經(jīng)流式分析發(fā)現(xiàn),UTMD增強(qiáng)的化學(xué)免疫治療使腫瘤中CD4+CD8 T+細(xì)胞顯著上調(diào),而調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Tregs)表達(dá)下調(diào),有效地重新調(diào)控免疫抑制性TME,激活小鼠的抗腫瘤免疫反應(yīng)(圖6b-f)。小鼠脾臟部位的CD4+、CD8 T+細(xì)胞免疫熒光染色結(jié)果也驗(yàn)證了聯(lián)合治療組產(chǎn)生了最強(qiáng)的全身免疫(圖6g)。 


6.a)小鼠腫瘤部位CD86CD206染色結(jié)果;(b)小鼠腫瘤部位CD4+CD8+T細(xì)胞的分布情況;(c)小鼠腫瘤部位Tregs的表達(dá)情況;(d-fCD4+ T、CD8+ T細(xì)胞和Tregs細(xì)胞的表達(dá)水平;(g)脾臟CD4+CD8+ T細(xì)胞的免疫熒光染色結(jié)果分析。


  簡而言之,該研究設(shè)計(jì)的Au/Toy@G3 NGs具有以下優(yōu)勢(shì)1)通過反相微乳液法形成雜化NGs,在TME中響應(yīng)性釋放Au NPsToy,以提高它們的生物利用度2Au/Toy@G3 NGs一方面可通過Toy增強(qiáng)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡和免疫原性死亡,進(jìn)一步刺激樹突細(xì)胞熟化,從而激發(fā)抗腫瘤免疫反應(yīng);另一方面,Au NPs可將TAMsM2型轉(zhuǎn)向M1型,重新調(diào)控免疫抑制TME,在增強(qiáng)抗腫瘤免疫治療的同時(shí)實(shí)現(xiàn)腫瘤CT成像;3UTMD增強(qiáng)的腫瘤滲透和PD-L1抗體介導(dǎo)的ICB,可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的抗腫瘤化學(xué)/免疫聯(lián)合治療效果。本研究構(gòu)建的響應(yīng)型Au/Toy@G3 NGsUTMD增強(qiáng)的組織穿透力和CT成像引導(dǎo)下,通過靶向腫瘤細(xì)胞和免疫細(xì)胞的化學(xué)/免疫聯(lián)合治療策略,實(shí)現(xiàn)了腫瘤高效診療療,為開發(fā)新型腫瘤高效治療納米藥物提供新思路。


  以上研究成果以“Redox-Responsive Dendrimer Nanogels Enable Ultrasound-Enhanced Chemoimmunotherapy of Pancreatic Cancer via Endoplasmic Reticulum Stress Amplification and Macrophage Polarization為題,在線發(fā)表于國際著名期刊Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202301759)。東華大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院碩士研究生張桂芝為第一作者,史向陽教授、沈明武教授和葡萄牙馬德拉大學(xué)的Jo?o Rodrigues教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、上海市科委及上海市領(lǐng)軍人才計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。


  文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202301759

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