近年來,癌癥免疫療法(CITs)在多種腫瘤類型中展現(xiàn)出顯著的臨床療效,但只有少數(shù)患有特定免疫敏感性癌癥的患者能夠從中獲得持久的生存益處。此外,CITs高昂的費用使得許多患者無法將其作為主要治療選擇。以順鉑為基礎(chǔ)的化療被認為是癌癥治療的基石,但順鉑治療常會誘導(dǎo)免疫抑制性腫瘤微環(huán)境(TME),表現(xiàn)為T細胞浸潤顯著缺失。
相比之下,鉑(IV)(Pt(IV))前藥因其能夠引發(fā)強烈的免疫反應(yīng)并有效調(diào)節(jié)腫瘤免疫微環(huán)境而受到關(guān)注。Pt(IV)前藥通過形成Pt-DNA復(fù)合物靶向核DNA,誘導(dǎo)DNA損傷并觸發(fā)細胞凋亡,進而激活cGAS-STING通路,促進I型干擾素和其他免疫細胞因子的釋放,增強細胞毒性T細胞的數(shù)量和功能。然而,將Pt(IV)前藥有效遞送至腫瘤部位以激活先天免疫仍是一個重大挑戰(zhàn)。
針對上述問題,中國科學院大學肖海華研究員、中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院放射醫(yī)學研究所黃帆研究員和北京大學人民醫(yī)院王建六主任團隊研究開發(fā)了一種合成高密度脂蛋白(sHDL)納米圓盤(sHDL@Pt),用于SPECT/熒光雙模態(tài)成像引導(dǎo)的Pt(IV)前藥遞送。研究設(shè)計并合成了一種Pt(IV)前藥(C2-Pt(IV)-C12),其包含順鉑中間體核心和兩個不對稱脂質(zhì)配體,能夠有效誘導(dǎo)癌細胞DNA損傷并增加雙鏈DNA(dsDNA)片段的產(chǎn)生,進而顯著激活cGAS-STING通路。為了可視化sHDL@Pt的腫瘤積累能力,研究將FDA批準的熒光染料(ICG)和放射性核素(99mTc)加載到納米載體中,分別用于近紅外二區(qū)(NIR-II)熒光成像和單光子發(fā)射計算機斷層掃描(SPECT)成像。實驗結(jié)果表明,sHDL@Pt在4T1和GL261-Luc腫瘤小鼠模型中能夠高效積累于腫瘤部位,并且相比順鉑,sHDL@Pt通過引發(fā)強烈的細胞毒性T淋巴細胞(CTLs)反應(yīng)表現(xiàn)出更強的腫瘤抑制效果。此外,sHDL@Pt與抗PD-1抗體(aPD-1)聯(lián)合使用具有協(xié)同效應(yīng)。該研究強調(diào)了這些納米圓盤在啟動和激活先天免疫以促進腫瘤消融方面的潛力。該研究于2025年8月8日以《Synthetic High-Density Lipoprotein Mimicking Nanodiscs with Pt(IV) Prodrug Enable Tumor Targeting and cGAS-STING Pathway Activation for Chemo-Immunotherapy》為題發(fā)表于《Advanced Materials》上(DOI: 10.1002/adma.202506011)。
圖1 sHDL@Pt納米圓盤的制備及作用機制示意圖。(a)Pt(IV)前藥的結(jié)構(gòu)式及其在體內(nèi)還原為Pt(II)的機制;(b)sHDL@Pt的制備示意圖;(c)通過NIR-II熒光成像和SPECT成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)sHDL@Pt可有效在腫瘤部位積累,誘導(dǎo)嚴重DNA損傷,激活cGAS-STING通路,促進樹突狀細胞成熟和T細胞增殖,觸發(fā)細胞毒性T淋巴細胞反應(yīng),抑制腫瘤生長
(1)sHDL@Pt的細胞攝取及在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的積累
C2-Pt(IV)-C12通過順鉑氧化并與十二烷酸酐和乙酸酐反應(yīng)合成,其結(jié)構(gòu)經(jīng)核磁共振光譜確認。sHDL@Pt由22A、DMPC和C2-Pt(IV)-C12按1:5:10質(zhì)量比組裝而成,粒徑約10 nm。用熒光染料Cy5.5標記sHDL@Pt形成Cy5.5/sHDL@Pt(圖2A)。共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)觀察到,GL261細胞與Cy5.5/sHDL@Pt孵育時,隨孵育時間延長,細胞內(nèi)熒光強度增加(圖2B),孵育7小時的細胞熒光強度比1小時增加了2.6倍(圖2C、D)。電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)檢測顯示,GL261細胞內(nèi)sHDL@Pt含量隨孵育時間延長而增加(圖2E),且sHDL@Pt的攝取量比順鉑高約一個數(shù)量級。ICP-MS實驗還表明,sHDL@Pt在GL261細胞的細胞核和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中均有富集,而順鉑主要富集在細胞核中,分別有3.8%的順鉑和8.1%的sHDL@Pt富集在線粒體中(圖2F、G)。這表明sHDL@Pt能夠進入癌細胞并主要定位于細胞核和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。
圖2 sHDL@Pt的細胞攝取及在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的積累。(a)sHDL@Pt處理癌細胞的實驗示意圖;(b)GL261細胞與Cy5.5/sHDL@Pt共孵育1、4、7小時后的代表性共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)圖像,細胞核用DAPI染色(藍色),細胞骨架用肌動蛋白染色(綠色),Cy5.5為紅色,圖中為三張圖像的疊加(實驗獨立重復(fù)3次,結(jié)果相似),比例尺為10 μm;(c)用流式細胞術(shù)(FCM)評估GL261細胞攝取Cy5.5/sHDL@Pt在1、4、7小時后的結(jié)果(n = 3);(d)(c)中熒光強度的定量結(jié)果;(e)GL261細胞分別用20 μM Pt的順鉑和sHDL@Pt處理0.5、1、3小時后細胞內(nèi)Pt含量(n = 3);(f)用ICP-MS檢測GL261細胞與2 μM的順鉑和sHDL@Pt共孵育2小時后Pt在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細胞核和線粒體中的分布(n = 4);(g)Pt在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細胞核和線粒體中的分布比例。數(shù)據(jù)以均值±標準差表示,(d)用單因素方差分析(ANOVA)結(jié)合Bonferroni多重比較后檢驗分析數(shù)據(jù),(e)和(f)用雙因素方差分析結(jié)合Bonferroni多重比較后檢驗分析數(shù)據(jù),*p < 0.05,**p < 0.01,***p < 0.001,****p < 0.0001
(2)sHDL@Pt有效誘導(dǎo)癌細胞死亡
MTT實驗結(jié)果表明,sHDL@Pt對GL261、MDA-MB-231、Ishikawa和4T1等多種癌細胞系的細胞毒性高于順鉑(圖3A)。sHDL@Pt的IC50值分別為GL261的1.3 ± 0.1 μM、MDA-MB-231的2.8 ± 0.5 μM、Ishikawa的2.0 ± 0.6 μM和4T1的0.8 ± 0.07 μM(圖3B)。MDA-MB-231細胞系中順鉑與sHDL@Pt的IC50比值為22,顯示sHDL@Pt對三陰性乳腺癌的抗腫瘤活性顯著高于順鉑。sHDL@Pt誘導(dǎo)的凋亡率是順鉑的4.3倍(圖3C、D)。3D細胞球體的活/死染色結(jié)果顯示,順鉑處理的細胞在3D細胞球體外圍顯示強綠色熒光(活細胞標志)和弱紅色熒光(死細胞標志),而sHDL@Pt處理的細胞在3D細胞球體內(nèi)部顯示強紅色熒光和極少量綠色熒光,表明sHDL@Pt的細胞毒性更高且能穿透3D腫瘤細胞結(jié)構(gòu)(圖3E)??寺⌒纬蓪嶒烇@示,sHDL@Pt處理的GL261細胞克隆數(shù)量顯著減少,而順鉑處理的細胞克隆數(shù)量較多(圖3F)。這些結(jié)果表明sHDL@Pt能顯著抑制腫瘤細胞生長(圖3G)。
圖3 sHDL@Pt有效誘導(dǎo)癌細胞死亡。(a)藥物劑量反應(yīng)曲線(n = 3):GL261、MDA-MB-231、ISK和4T1細胞分別用順鉑和sHDL@Pt處理;(b)順鉑和sHDL@Pt在GL261、MDA-MB-231、ISK和4T1癌細胞中的IC50值;(c)GL261細胞用順鉑和sHDL@Pt(5 μM,24 h)處理后的凋亡檢測(n = 3);(d)GL261細胞用順鉑和sHDL@Pt(5 μM,24 h)處理后的凋亡比例統(tǒng)計(n = 3);(e)3D細胞球體用順鉑和sHDL@Pt(10 μM,24 h)處理后的代表性CLSM圖像(實驗獨立重復(fù)3次,結(jié)果相似);(f)sHDL@Pt(0.2 μM)有效抑制GL261細胞的克隆形成能力,結(jié)晶紫染色顯示克隆形成能力(實驗獨立重復(fù)3次,結(jié)果相似);(g)sHDL@Pt誘導(dǎo)腫瘤細胞死亡的示意圖。數(shù)據(jù)以均值±標準差表示,(d)用單因素方差分析(ANOVA)結(jié)合Bonferroni多重比較后檢驗分析數(shù)據(jù),*p < 0.05,**p < 0.01,***p < 0.001,****p < 0.0001
(3)sHDL@Pt激活cGAS-STING通路
sHDL@Pt通過Pt(IV)誘導(dǎo)的DNA損傷激活STING信號通路,可廣泛啟動抗腫瘤免疫反應(yīng)并重塑腫瘤微環(huán)境。為探究sHDL@Pt是否能激活癌細胞中的cGAS-STING通路,通過共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)檢測了DNA損傷標志物γ-H2AX(圖4A–D)。結(jié)果顯示,順鉑處理的4T1細胞呈現(xiàn)綠色和藍色熒光重疊,而sHDL@Pt處理的4T1細胞顯示出更強的綠色熒光,且sHDL@Pt處理組的熒光強度比順鉑處理組增加了2.2倍(圖4E、F),表明sHDL@Pt誘導(dǎo)的DNA損傷比順鉑更顯著。隨后,通過Western blot檢測了經(jīng)不同處理的4T1細胞中cGAS-STING通路相關(guān)蛋白的表達。順鉑處理的4T1細胞中STING通路被激活,表現(xiàn)為STING、IRF3和TBK1的磷酸化表達;而sHDL@Pt處理的4T1細胞中,cGAS-STING通路標志物(STING、IRF3和TBK1)的磷酸化顯著上調(diào)(圖4G),提示sHDL@Pt誘導(dǎo)了更多的DNA釋放。
圖4 sHDL@Pt激活cGAS-STING通路。(a)4T1細胞用順鉑和sHDL@Pt(2 μM,24 h)處理后γ-H2AX的代表性CLSM圖像;(b)~(d)分別為對照組、順鉑組和sHDL@Pt組沿(a)中白虛線的熒光共定位分析;(e)用流式細胞術(shù)(FCM)分析4T1細胞用順鉑和sHDL@Pt(2 μM,24 h)處理后γ-H2AX的表達水平;(f)(e)中γ-H2AX表達水平的定量分析;(g)4T1細胞用順鉑和sHDL@Pt(1 μM,24 h)處理后P-TBK1、P-IRF3和P-STING表達的Western blot分析。實驗獨立重復(fù)3次,結(jié)果相似。數(shù)據(jù)以均值±標準差表示,(f)用單因素方差分析(ANOVA)結(jié)合Bonferroni多重比較后檢驗分析數(shù)據(jù),*p < 0.05,**p < 0.01,***p < 0.001,****p < 0.0001
(4)MDA-MB-231細胞用順鉑和sHDL@Pt處理后的轉(zhuǎn)錄組分析
RNA測序分析顯示,MDA-MB-231細胞經(jīng)PBS、順鉑和sHDL@Pt處理后共鑒定出11394個基因,PCA和維恩圖顯示各組間轉(zhuǎn)錄組存在顯著差異(圖5A、B)。與對照組相比,sHDL@Pt處理組有10133個差異表達基因,其中4960個上調(diào),5173個下調(diào)(圖5C)。與順鉑處理組相比,sHDL@Pt處理組有6789個差異表達基因,其中3390個上調(diào),3399個下調(diào)(圖5D)。GO富集分析顯示,sHDL@Pt處理的MDA-MB-231細胞中,與細胞對DNA損傷應(yīng)答、DNA修復(fù)、DNA復(fù)制、DNA重組及同源重組修復(fù)雙鏈斷裂相關(guān)的基因表達受影響(圖5E)。KEGG和GSEA分析表明,sHDL@Pt顯著影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白質(zhì)處理、DNA復(fù)制、同源重組、錯配修復(fù)及FoxO信號通路、PD-L1表達和PD-1檢查點通路等免疫和炎癥相關(guān)信號通路(圖5F、G;圖S9,支持信息)。與對照組相比,sHDL@Pt處理組中與cGAS-STING通路直接相關(guān)的基因(TBK1、CGAS、IRF3和H2AX)表達上調(diào)(圖5H)。這些結(jié)果表明,sHDL@Pt通過誘導(dǎo)DNA損傷、改變蛋白磷酸化和調(diào)節(jié)通路相關(guān)基因的表達來調(diào)控cGAS-STING通路,可能增強免疫刺激因子的表達和釋放,重塑免疫抑制微環(huán)境(圖5I)。
圖5 MDA-MB-231細胞用順鉑和sHDL@Pt處理后的轉(zhuǎn)錄組分析。(a)MDA-MB-231細胞用對照、順鉑和sHDL@Pt處理后的基因表達主成分分析(PCA)得分圖;(b)鑒定的差異表達基因的維恩圖;(c)~(d)分別為MDA-MB-231細胞用sHDL@Pt與對照組、sHDL@Pt與順鉑組處理后的火山圖;(e)MDA-MB-231細胞用sHDL@Pt與對照組處理后的基因本體(GO)生物過程分類;(f)MDA-MB-231細胞用sHDL@Pt與對照組處理后的京都基因與基因組百科全書(KEGG)富集分析;(g)基因集富集分析(GSEA)顯示MDA-MB-231細胞用sHDL@Pt與對照組處理后同源重組通路的正富集(數(shù)據(jù)用GSEA軟件包分析,未作修改);(h)MDA-MB-231細胞用sHDL@Pt與對照組處理后的基因表達熱圖;(i)MDA-MB-231細胞用sHDL@Pt處理后的潛在機制圖。n = 3實驗重復(fù)
(5)通過多模態(tài)成像評估sHDL@Pt在體內(nèi)靶向腫瘤區(qū)域的能力
99mTc/sHDL@Pt通過DSPE-PEG2000-DTPA制備并用Na99mTcO4標記(圖6A),其在小鼠體內(nèi)的α相半衰期為0.72 ± 0.23 h,比Na99mTcO4長。SPECT成像顯示99mTc/sHDL@Pt靜脈注射后能快速在腫瘤部位積累,并在給藥后4小時達到最高放射性信號(圖6B),顯示出更強的腫瘤靶向能力和更長的保留時間。ICG/sHDL@Pt通過FDA批準的NIR-II熒光染料ICG標記(圖6C),其在小鼠體內(nèi)的循環(huán)半衰期在α相為0.43 ± 0.08小時,β相為5.06 ± 4.40小時。NIR-II熒光成像顯示ICG/sHDL@Pt靜脈注射后能快速在腫瘤部位積累,在給藥后4小時達到最高熒光強度,且在腫瘤部位的保留時間超過96小時(圖6D,圖6E)。給藥96小時后,收集小鼠的心臟、肝臟、脾臟、肺、腎臟和腫瘤進行成像(圖6F),結(jié)果顯示腫瘤部位的熒光信號分別是心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟的28.4、3.9、18.0、9.3和4.0倍(圖6G)。ICG/sHDL@Pt被靜脈注射到膠質(zhì)母細胞瘤(GBM)小鼠模型中,72小時后收集大腦和主要器官進行NIR-II熒光成像(圖6H)。結(jié)果顯示ICG/sHDL@Pt能快速穿過血腦屏障并到達腦腫瘤部位,且在腫瘤部位的保留時間超過96小時。給藥96小時后,收集小鼠的心肝脾肺腎和大腦進行成像,結(jié)果顯示熒光信號主要富集在腦腫瘤部位,其他腦區(qū)熒光較少,腫瘤部位的熒光信號分別是心臟、脾臟、肺和腎臟的6.3、3.6、3.9和1.5倍。這些結(jié)果表明sHDL@Pt能有效靶向并積累于惡性腦腫瘤。
圖6 通過多模態(tài)成像評估sHDL@Pt在體內(nèi)靶向腫瘤區(qū)域的能力。(a)用于SPECT成像的99mTc/sHDL@Pt制備示意圖;(b)靜脈注射游離99mTc和99mTc/sHDL@Pt后的代表性SPECT圖像;(c)用于NIR-II熒光成像的ICG/sHDL@Pt制備示意圖;(d)靜脈注射ICG/sHDL@Pt后的代表性NIR-II熒光生物成像圖像;(e)不同時間點腫瘤區(qū)域的定量NIR-II熒光;(f)靜脈注射ICG/sHDL@Pt后96小時,處死小鼠并收集心臟(H)、肝臟(Li)、脾臟(S)、肺(Lu)、腎臟(K)和腫瘤(T)進行成像的代表性NIR-II熒光圖像;(g)主要器官和腫瘤組織的定量NIR-II熒光;(h)靜脈注射ICG/sHDL@Pt后,原位GL261腫瘤小鼠的代表性NIR-II熒光生物成像圖像。數(shù)據(jù)以均值±標準差表示,(e)和(g)用單因素方差分析(ANOVA)結(jié)合Bonferroni多重比較后檢驗分析數(shù)據(jù),*p < 0.05,**p < 0.01,***p < 0.001,****p < 0.0001
(6)sHDL@Pt在多種癌癥模型中抑制腫瘤生長
在TNBC模型中,4T1腫瘤小鼠用順鉑和sHDL@Pt(Pt劑量1.0 mg/kg)處理,PBS作對照(圖7A)。順鉑組TGI為57%,sHDL@Pt組TGI達76%,且sHDL@Pt組小鼠全部存活,而對照組和順鉑組小鼠均在36天內(nèi)死亡(圖7B、C)。在免疫“冷”TNBC模型中,評估了aPD-1及其與sHDL@Pt聯(lián)合(sHDL@Pt + aPD-1)的抗腫瘤效果(圖7D)。aPD-1的TGI為57%,而sHDL@Pt + aPD-1的TGI達88%(圖7E),且其處理的小鼠中位生存期為42天,比單獨aPD-1處理的小鼠(36天)更長(圖7F)。第26天測量腫瘤中免疫細胞反應(yīng),sHDL@Pt + aPD-1處理的小鼠中成熟DCs(CD11c+ CD80+ CD86+)比例約48%,顯著高于對照組(約28%)和單獨aPD-1處理的小鼠(約38%);CD8+ T細胞數(shù)量分別是對照組和單獨aPD-1處理小鼠的1.8倍和1.2倍;Foxp3水平顯著低于對照組或單獨aPD-1處理的小鼠;MDSCs頻率最低(圖7G),表明sHDL@Pt + aPD-1能刺激系統(tǒng)性免疫反應(yīng),有效抑制腫瘤生長。在GL261-luc腫瘤小鼠模型中,sHDL@Pt能有效抑制腫瘤生長(圖7H–J)。H&E染色顯示,對照組小鼠大腦中腫瘤細胞顯著浸潤,而sHDL@Pt處理組小鼠大腦中僅檢測到少量腫瘤細胞,且腫瘤組織中細胞損傷嚴重(圖7K)。GL261-luc腫瘤小鼠模型的長期生存評估顯示,對照組小鼠中位生存時間為40天,sHDL@Pt處理組小鼠中位生存時間顯著延長至60天(圖7L)。
圖7 sHDL@Pt在多種癌癥模型中抑制腫瘤生長。(a)三陰性乳腺癌(TNBC)治療時間表示意圖;(b)TNBC腫瘤生長抑制曲線比較;(c)TNBC用對照、順鉑和sHDL@Pt處理后的生存曲線(n = 5);(d)sHDL@Pt與抗PD-1(aPD-1)療法在TNBC小鼠模型中協(xié)同作用示意圖;(e)TNBC用sHDL@Pt和aPD-1協(xié)同治療后的腫瘤生長抑制曲線比較;(f)TNBC用sHDL@Pt和aPD-1協(xié)同治療后的生存曲線;(g)腫瘤組織中CD45+ T細胞中Gr-1+ CD11b+細胞的百分比(n = 5);(h)膠質(zhì)母細胞瘤(GBM)治療時間表示意圖;(i)原位GBM模型用順鉑和sHDL@Pt處理后的體內(nèi)生物發(fā)光成像(n = 5);(j)通過分析生物發(fā)光信號的歸一化強度評估的平均腫瘤生長動力學(n = 5);(k)用順鉑和sHDL@Pt處理后的全腦切片的代表性H&E染色;(l)GBM用對照、順鉑和sHDL@Pt處理后的生存曲線(n = 5)。數(shù)據(jù)以均值±標準差表示,(g)用單因素方差分析(ANOVA)結(jié)合Bonferroni多重比較后檢驗分析數(shù)據(jù),(b、e、j)用雙因素方差分析結(jié)合Bonferroni多重比較后檢驗分析數(shù)據(jù),(c、f、l)用對數(shù)秩Mantel-Cox檢驗分析數(shù)據(jù),*p < 0.05,**p < 0.01,***p < 0.001,****p < 0.0001
該研究開發(fā)了一種新型的sHDL納米圓盤,用于SPECT/熒光雙模態(tài)成像引導(dǎo)的Pt(IV)前藥遞送。與順鉑相比,sHDL@Pt能夠進入更多的腫瘤細胞,并在細胞的線粒體和細胞核中積累。在GL261、MDA-MB-231、ISK和4T1癌細胞系中,sHDL@Pt展現(xiàn)出比順鉑更低的半抑制濃度(IC50)。靜脈注射后,通過NIR-II熒光成像和SPECT成像技術(shù)證實sHDL@Pt能夠有效在腫瘤部位積累。此外,sHDL@Pt能夠穿過血腦屏障,在GL261腫瘤小鼠模型中顯示出顯著的抗腫瘤活性。 總體而言,研究表明sHDL納米圓盤能夠有效遞送Pt(IV)前藥,顯著激活cGAS-STING通路,促進樹突狀細胞成熟和T細胞增殖,觸發(fā)強烈的細胞毒性T淋巴細胞(CTLs)反應(yīng),從而抑制腫瘤生長。然而,鑒于樣本量有限、缺乏長期數(shù)據(jù)、缺乏大動物驗證以及EPR效應(yīng)的異質(zhì)性問題,該研究距離臨床試驗仍有很長的路要走。
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