研究背景:
原位腫瘤疫苗(ISCVs)作為一種新型個性化免疫治療手段,能夠?qū)⒆泽w腫瘤抗原轉(zhuǎn)化為疫苗,具有快速轉(zhuǎn)化應(yīng)用于臨床的優(yōu)勢,但腫瘤細胞的免疫逃逸能力限制了其臨床效果。研究表明,腫瘤抑制蛋白P53對癌細胞免疫原性有重要影響,然而約50%的人類癌癥存在P53異常,導致其抑癌功能喪失并促進免疫逃逸。為修復P53異常,研究提出通過遞送p53 mRNA恢復腫瘤細胞中P53水平,但當前遞送系統(tǒng)存在無法同時運輸金屬離子等問題,限制了其應(yīng)用。
為此研究人員該研究設(shè)計了一種名為PRIZE的P53修復納米系統(tǒng),該系統(tǒng)基于病毒模擬納米結(jié)構(gòu),用于將p53 mRNA和Zn(II)遞送至腫瘤細胞,通過恢復細胞內(nèi)P53水平來馴化腫瘤細胞,增強其免疫原性。PRIZE確保精確遞送至腫瘤部位,利用其生物礦物化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定p53 mRNA,并延長P53的半衰期。這項研究強調(diào),PRIZE可以有效地修復4T1(P53缺陷型)和MC38(P53突變型)細胞中的P53異常,隨后上調(diào)腫瘤細胞上主要組織相容性復合物(MHC)I類分子和表面共刺激分子CD80的表達,增強抗原呈遞,并將腫瘤細胞轉(zhuǎn)化為原位抗原庫。共同遞送的Photothermal劑(ICG)在激光照射下可以觸發(fā)免疫原性細胞死亡,有效釋放腫瘤相關(guān)抗原,并誘導原位癌癥疫苗(ISCVs)的形成。重要的是,在P53異常腫瘤小鼠模型中,誘導的ISCVs啟動癌癥免疫循環(huán)(CIC),表現(xiàn)出卓越的腫瘤殺傷免疫力和有效阻止腫瘤轉(zhuǎn)移和術(shù)后復發(fā),這為推進個性化癌癥免疫治療提供了寶貴見解。該文章于2025年2月18日以《Restoring Tumor Cell Immunogenicity Through Ion-Assisted p53 mRNA Domestication for Enhanced In Situ Cancer Vaccination Effect》為題發(fā)表于《Advanced Science》(DOI:10.1002/advs.202500825)。
研究示意圖
(1)P53修復納米系統(tǒng)的合成與表征
為了有效修復P53異常,研究團隊設(shè)計了一種基于病毒模擬納米結(jié)構(gòu)的P53恢復納米系統(tǒng)PRIZE。該系統(tǒng)的核心由負載p53 mRNA和ICG的ZIF-90納米顆粒組成,稱為Z@R@I,其尺寸為177.6±14.7 nm,zeta電位為-6.5±1.9 mV,具有與ZIF-90相同的菱形十二面體結(jié)構(gòu)(圖1a, b)。透射電子顯微鏡(TEM)映射分析證實了Z@R@I中N、O、Zn和P元素的存在,驗證了mRNA的有效負載(圖1c)。紫外-可見光譜在784 nm處的吸收峰證實了ICG的成功封裝(圖1d)。此外,ZIF-90通過其仿生礦化功能顯著延長了p53 mRNA的穩(wěn)定性至7天(圖1e)。在5 mM ATP作用下,Z@R@I納米顆粒能夠完全分解,mRNA釋放率為96%,Zn(II)釋放率為97.5%,ICG釋放率為98%,證實了其良好的ATP響應(yīng)性及藥物釋放效率(圖1f)。隨后,通過紅細胞膜(RBCM)涂覆,形成RBCM-Z@R@I,其粒徑增加到203.6±15.2 nm,zeta電位顯著降低到-23.4±2.3 mV(圖1b)。進一步通過脂質(zhì)插入法將腫瘤靶向肽cRGD和溶酶體逃逸肽L17E引入,形成PRIZE,其粒徑達到212.6±12.6 nm,zeta電位為-16.8±0.9 mV,且TEM顯示PRIZE具有明顯的膜結(jié)構(gòu)(圖1a)。最后,通過測量在808 nm近紅外激光照射下的溫度變化,評估了PRIZE的光熱轉(zhuǎn)換能力及其誘導細胞焦亡的潛力,結(jié)果表明PRIZE具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能(圖1j)。
圖1 P53修復納米系統(tǒng)的合成與表征。(a)Z@R@I和PRIZE的TEM圖像;(b)RBCM、Z@R@I、RBCM-Z@R@I和PRIZE的尺寸和zeta電位(n=3);(c)Z@R@I的TEM元素映射分析(Zn、O、N、P),比例尺50 nm;(d)游離ICG和Z@R@I的紫外可見吸收光譜;(e)4°C下Z@R@I中p53 mRNA的毛細管電泳穩(wěn)定性分析;(f)不同ATP濃度(0、2、5 mM)下Z@R@I的體外mRNA、Zn(II)和ICG釋放速率(n=3);(g)PRIZE體內(nèi)示意圖;(h)尾靜脈注射不同配方的Cy5標記p53 mRNA后,小鼠各器官(含腫瘤)的Cy5熒光定量(n=3);(i)不同配方的Cy5標記p53 mRNA在小鼠體內(nèi)的循環(huán)概況;(j)808 nm激光照射(2.0 W cm?2)下,鹽水或PRIZE處理的小鼠腫瘤溫度變化(n=3);(k)PRIZE在腫瘤細胞內(nèi)的示意圖;(l)PRIZE處理后4T1細胞中Zn(II)含量的ICP-MS分析(n=3);(m)PRIZE或LNP@p53 mRNA處理4T1細胞4小時后,Western印跡分析WT P53表達(n=3)
(2)PRIZE通過馴化腫瘤細胞以恢復其免疫原性,將其轉(zhuǎn)化為原位抗原庫
WT P53通過MHC I途徑直接促進抗原呈遞基因(B2M、Erap1、Tap1、H2-K1)和共刺激分子CD80的上調(diào),增強腫瘤細胞的免疫原性(圖2a)。實驗中,通過qRT-PCR和免疫熒光分析驗證了PRIZE處理后4T1細胞中這些基因的顯著上調(diào)(圖2b),以及CD80表達的顯著增加(圖2d)。此外,PRIZE處理的4T1-OVA細胞成功呈遞了異源MHC I結(jié)合肽SIINFEKL,而對照組未觀察到此現(xiàn)象(圖2c)。在體內(nèi)實驗中,PRIZE(luc)處理的4T1腫瘤荷瘤小鼠在腫瘤部位表現(xiàn)出更高的熒光素酶表達,證實了其高效的蛋白質(zhì)表達能力(圖2e-g)。進一步的免疫熒光結(jié)果顯示,PRIZE處理組小鼠中P53、MHC I分子和CD80的表達顯著增加,而PD-L1表達降低(圖2h-k)。這些結(jié)果表明PRIZE通過修復P53異常,增強了腫瘤細胞的免疫原性,將其轉(zhuǎn)化為原位抗原庫,為T細胞識別和清除腫瘤細胞奠定了基礎(chǔ)。
圖2 通過PRIZE馴化恢復腫瘤細胞的免疫原性。(a)WT P53將腫瘤細胞馴化為高免疫原性抗原庫的示意圖;(b,c)qRT-PCR顯示不同處理后4T1細胞中抗原呈遞基因的誘導;(c)流式細胞術(shù)檢測不同處理后4T1-OVA細胞表面MHC-SIINFEKL的平均熒光強度(MFI,n=3);(d)處理后4T1細胞的免疫熒光圖像及細胞表面CD80的免疫熒光染色定量分析;(e)4T1腫瘤小鼠靜脈注射PRIZE(Luc)后不同時間點的體內(nèi)生物發(fā)光成像及48小時后不同器官的生物發(fā)光圖像;(f)4T1腫瘤中不同時間點的生物發(fā)光定量(n=3);(g)不同器官的生物發(fā)光定量(n=3);(h-k)4T1腫瘤接受指定治療后,WT P53、MHC I、CD80和PD-L1表達的免疫熒光染色代表性圖像及定量分析
(3)光熱觸發(fā)的ISCVs形成
非侵入性光療法(包括PTT和光動力療法)為開發(fā)穩(wěn)健的原位疫苗(ISCVs)提供了機會(圖3a)。實驗中,通過與PRIZE共遞送ICG到腫瘤細胞,經(jīng)過NIR照射(43°C,5分鐘)后細胞存活率僅為13.6%,顯示出優(yōu)異的免疫原性細胞死亡(ICD)療效(圖3b)。ICD與損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)的釋放相關(guān),可刺激抗腫瘤免疫反應(yīng)并觸發(fā)ISCVs形成。體外實驗表明,PRIZE+NIR顯著誘導4T1細胞發(fā)生ICD并釋放DAMPs,如CRT暴露、HMGB1和ATP釋放(圖3c, d)。此外,將BMDCs與PRIZE+NIR預處理的4T1細胞共培養(yǎng)可顯著提高DCs的成熟度(圖3e, f)。
細胞毒性CD8+ T細胞是適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的核心效應(yīng)細胞。實驗中,將CD8+ T細胞與由PRIZE+NIR處理的4T1細胞成熟的BMDCs共培養(yǎng),顯著增加了CD8+GZMB+細胞的百分比(43.3%),并顯著提高了TNF-α和IL-12p70的水平,表明CD8+ T細胞功能的激活(圖3g, h, i)。形態(tài)學檢查顯示,PRIZE+NIR組中許多細胞出現(xiàn)細胞焦亡形態(tài)(圖3j),表明PTT成功觸發(fā)了PRIZE預處理腫瘤細胞中抗原的釋放,形成ISCVs,并誘導抗腫瘤免疫反應(yīng)。
PTT可能通過增加血氧水平和破壞物理屏障來增強免疫細胞浸潤。激光血流成像顯示NIR照射增加了小鼠的血流速度,光聲成像表明4T1腫瘤組織中的血氧含量升高(圖3k, l)。此外,H&E染色證實NIR治療后腫瘤組織內(nèi)松散區(qū)域的擴張(圖3m),表明PTT對物理屏障的破壞作用。這些發(fā)現(xiàn)為通過PRIZE+NIR在體內(nèi)有效激活免疫反應(yīng)和實現(xiàn)強大的抗腫瘤效果奠定了基礎(chǔ)。
圖3 PRIZE+NIR引發(fā)ISCV的形成。(a)NIR加速ISCV形成示意圖;(b)PZE、PRZE、PRIZE和PRIZE+NIR(43°C,5分鐘)處理4T1細胞24小時后的細胞相對活力;(c)不同處理后4T1細胞中CRT和HMGB1的免疫熒光圖像;(d)不同處理后4T1細胞的細胞外ATP濃度(n=3);(e)BMDC成熟和CD8+ T細胞活化示意圖;(f)4T1細胞與BMDC共培養(yǎng)24小時后成熟BMDC的流式細胞術(shù)定量(n=3);(g)與上述BMDC共培養(yǎng)后活化CD8+ T細胞的流式細胞術(shù)定量(n=3);(h,i)T細胞與成熟BMDC(CD80+ CD86+)共培養(yǎng)24小時后,通過ELISA檢測TNF-α(h)和IL-12p70(i)的產(chǎn)生(n=3);(j)Cell Tracker? DiI標記的活化CD8+ T細胞攻擊4T1細胞的代表性圖像(n=3);(k)NIR照射前后小鼠腫瘤部位的血液灌注圖像及定量(n=3);(l)NIR前后4T1腫瘤的PA成像及平均sO?的量化(n=3);(m)NIR前后4T1腫瘤的H&E染色
(4)ISCVs在雙側(cè)4T1腫瘤模型中的治療功效
通過雙側(cè)BALB/C腫瘤模型評估了ISCVs的抗腫瘤效果。當原發(fā)腫瘤體積達到100 mm3時,小鼠分為四組(每組8只),分別接受生理鹽水、PIZE+NIR、PRIZE或PRIZE+NIR處理,每三天靜脈注射一次,共五次。對于PIZE+NIR或PRIZE+NIR組,在注射后24小時對右側(cè)(原發(fā))腫瘤進行額外的激光照射(43°C,5分鐘)(圖4a)。結(jié)果顯示,PRIZE治療或PIZE+NIR治療單獨抑制了4T1腫瘤的雙側(cè)生長,但PRIZE+NIR治療效果更優(yōu),從個體生長曲線和平均腫瘤體積中可以看出(圖4b)。接受聯(lián)合治療的小鼠中約75%存活,而其他組小鼠在60天內(nèi)死亡(圖4c)。這些結(jié)果強調(diào)了修復P53異常以增強腫瘤細胞免疫原性的重要性。
PRIZE+NIR顯著促進了DC成熟,增加了原發(fā)和遠處腫瘤中CD3+CD8+ T細胞和CD8+GZMB+ T細胞的浸潤(圖4d, e)。此外,PRIZE+NIR處理組在遠端腫瘤、淋巴結(jié)、脾臟和周圍血液中產(chǎn)生更高比例的CD3+CD8+ T細胞(圖4f)。RNA測序顯示,PRIZE+NIR治療的腫瘤組織中p53和免疫激活相關(guān)基因表達上調(diào),免疫細胞類型發(fā)生改變,包括T細胞、NK細胞和活化DCs(圖4g)。與TAMs(M1和M2)、MDSCs和Tregs相關(guān)的基因表達發(fā)生變化,重塑了免疫抑制的TME。流式細胞術(shù)分析顯示,PRIZE+NIR組中MDSCs和Tregs比例顯著降低,M1/M2比率增加(圖S24b)。體內(nèi)結(jié)果表明,PRIZE+NIR通過激發(fā)適應(yīng)性免疫反應(yīng)和調(diào)節(jié)TME,顯著增強了ISCVs的療效(圖4h)。
圖4 ISCVs在雙側(cè)4T1腫瘤模型中的治療效果。(a)雙側(cè)BALB/c腫瘤實驗設(shè)計示意圖;(b)原發(fā)性腫瘤和遠處腫瘤的個體腫瘤生長動力學(每3天記錄一次);(c)各組生存曲線(n=8);(d)不同組小鼠原發(fā)性腫瘤和遠處腫瘤中CD3+ CD8+ T細胞浸潤百分比(n=3);(e)原發(fā)性腫瘤和遠處腫瘤中CD8+ GZMB+ T細胞的免疫熒光分析;(f)不同組小鼠淋巴結(jié)、血液和脾臟中CD3+ CD8+ T細胞浸潤百分比(n=3);(g)小鼠原發(fā)性腫瘤組織經(jīng)生理鹽水、PRIZE+NIR處理后,免疫細胞類型相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄組分析差異基因聚類熱圖(n=3);(h)PTT與PRIZE馴化協(xié)同激活CIC并增強ISCV療效的示意圖
(5)通過PRIZE+NIR抑制腫瘤轉(zhuǎn)移和復發(fā)
為了評估PRIZE+NIR在治療腫瘤轉(zhuǎn)移和復發(fā)方面的潛力,研究者建立了相關(guān)模型并進行了實驗。在4T1腫瘤攜帶小鼠中,PRIZE+NIR顯著減少了肺部轉(zhuǎn)移腫瘤負荷,肺重量接近正常水平(圖5a, b),且H&E染色顯示PRIZE+NIR組肺部轉(zhuǎn)移性結(jié)節(jié)數(shù)量減少了約60%(圖5c, d)。此外,PRIZE+NIR處理的血清中IFN-γ和TNF-α水平最高(圖5e, f),表明其優(yōu)化的抗腫瘤免疫反應(yīng)。通過IVIS Lumina II成像系統(tǒng)監(jiān)測腫瘤轉(zhuǎn)移,發(fā)現(xiàn)PRIZE+NIR顯著增加了外周血和脾臟中效應(yīng)記憶T細胞(T EM)和中央記憶T細胞(T CM)的比例(圖5g-j),小鼠存活率顯著提高至70%(圖5k),突出了其在抑制腫瘤轉(zhuǎn)移和延長生存時間方面的潛力。
進一步的腫瘤復挑戰(zhàn)模型實驗表明,PRIZE+NIR治療的小鼠在復挑戰(zhàn)后4T1腫瘤完全消退(圖5l, m),且外周血和脾臟中記憶T細胞數(shù)量顯著增加(圖5n, o),顯示出強大的長期免疫記憶效應(yīng),有效防止腫瘤復發(fā)。這些結(jié)果表明PRIZE+NIR在激活持久免疫記憶效應(yīng)方面的重要性。
圖5 預防腫瘤轉(zhuǎn)移和復發(fā)的長期記憶效應(yīng)。(a)4T1 轉(zhuǎn)移模型中 PRIZE+NIR 觸發(fā)癌癥免疫療法的示意圖;(b)研究結(jié)束時小鼠肺重量(n=5);(c)肺組織 H&E 染色圖像;(d)肺轉(zhuǎn)移節(jié)點量化(n=5);(e, f)ELISA 測定血清中 IFN-γ 和 TNF-α 水平(n=5);(g, h)4T1 轉(zhuǎn)移模型小鼠血液和脾臟中 T EM 和 T CM 的流式細胞術(shù)分析(n=3);(i, j)T EM 和 T CM 的百分比(n=3);(k)4T1 肺轉(zhuǎn)移小鼠總生存率(n=8);(l)PRIZE+NIR 介導的 4T1 腫瘤模型預防復發(fā)方案;(m)腫瘤生長曲線;(n, o)不同治療后小鼠血液和脾臟中 T EM 和 T CM 的百分比(n=3)
(6)PRIZE+NIR對P53突變MC38結(jié)直腸癌腫瘤模型的抗腫瘤療效
在P53突變的MC38腫瘤C57BL/6小鼠模型中,PRIZE+NIR治療顯著抑制了腫瘤生長并實現(xiàn)了腫瘤完全清除(圖6a, b)。免疫熒光驗證了NIR誘導的I型細胞死亡(ICD),表現(xiàn)為顯著的CRT外化和HMGB1轉(zhuǎn)位(圖6c)。治療后,免疫熒光圖像顯示CD8+ T細胞的激活增強(圖6d),流式細胞術(shù)分析表明腫瘤組織中T細胞浸潤水平顯著增加(圖6e, f),且CD8+GZMB+和CD8+IFN-γ+ T細胞群體顯著增加(圖6g, h),表明PRIZE+NIR增強了CD8+ T細胞的抗腫瘤活性。生存曲線分析顯示,PRIZE+NIR治療將MC38結(jié)直腸癌小鼠的存活率提高到60%(圖6i),突顯了其強大的抗腫瘤療效。這些結(jié)果表明P53修復策略在p53突變腫瘤模型中具有顯著的治療潛力。
圖6 PRIZE+NIR 對 p53 突變腫瘤的抑制作用。(a)MC38 腫瘤模型中 PRIZE+NIR 引發(fā)的癌癥免疫療法示意圖;(b)腫瘤生長曲線(n=8);(c)代表性免疫熒光圖像,顯示不同處理后腫瘤中 CRT 和 HMGB1 的表達;(d)不同處理后腫瘤中 CD8?GZMB? T 細胞和 CD4?Foxp3? T 細胞的免疫熒光分析;(e, f)流式細胞術(shù)檢測不同處理后腫瘤中浸潤的 CD3?CD8? T 細胞和 CD3?CD4? T 細胞(n=3),并進行定量分析;(g, h)流式細胞術(shù)檢測并量化不同處理后腫瘤中 CD8?GZMB? T 細胞和 CD8?IFN-γ? T 細胞的表達水平(n=3,代表性門控策略見圖S30);(i)不同處理后 MC38 腫瘤 C57BL/6 小鼠的總生存率(n=8)
本文設(shè)計了一種基于病毒模擬納米結(jié)構(gòu)的P53修復納米系統(tǒng)PRIZE,該系統(tǒng)能夠有效地遞送p53 mRNA和Zn(II),以恢復腫瘤細胞的免疫原性并增強ISCVs的療效。PRIZE確保p53 mRNA精確遞送到腫瘤部位,利用其生物礦物化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定p53 mRNA,并延長WT P53的半衰期。值得注意的是,研究證明PRIZE能夠有效糾正腫瘤細胞中的P53異常,將它們馴化以改善抗原呈遞,并將它們轉(zhuǎn)化為原位抗原庫。此外,體內(nèi)實驗表明,在近紅外激光照射下,PRIZE能夠促進獨特抗原的釋放,實現(xiàn)原位癌癥疫苗接種。這些發(fā)現(xiàn)突出了恢復腫瘤細胞中WT P53水平以激活CIC并實現(xiàn)強大抗腫瘤效果的關(guān)鍵作用。 本研究不僅介紹了一種修復P53異常的新策略,還強調(diào)了增強腫瘤細胞免疫原性在抗腫瘤治療中的重要性??傮w而言,該工作提供了一種有前景的方法,可以在無需為每位患者定制疫苗的情況下加速ISCVs的臨床轉(zhuǎn)化。
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