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增强抗肿瘤免疫!自产氧/自降解无机纳米酶 精选

已有 1914 次阅读 2019-9-24 14:18 |系统分类:论文交流| CaO2, CTLA-4抗体, MnO2, SiO2, 乏氧-腺苷通路

Inorganic Nanozyme with Combined Self‑Oxygenation/Degradable Capabilities for Sensitized Cancer Immunochemotherapy
Jie Wang, Lan Fang, Ping Li, Lang Ma, Weidan Na, Chong Cheng*, Yueqing Gu, Dawei Deng*

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 74

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0305-x

本文亮点
1 利用生物相容性佳的CaO2、SiO2、MnO2等,制备出了可自产氧的纳米酶。此纳米酶具有高的产氧效率和较低的生物毒性。
2 以荷黑色素瘤的小鼠为模型,发现该纳米酶具有良好的缓解瘤内乏氧能力,并能有效抑制乏氧-腺苷通路,从而抑制调节性T细胞(Treg)的活性,促进了抗肿瘤T细胞的瘤内浸润。这些免疫刺激因素对CTLA-4抗体介导的免疫治疗,有显著的增强效果。
内容简介
中国药科大学邓大伟课题组等多个课题组合作,利用生物相容性佳的材料,包括CaO2、二氧化硅等,制备出了自产氧/自降解型纳米酶。该纳米酶能有效缓解瘤内乏氧,抑制乏氧-腺苷信号通路,同时诱发一系列免疫刺激反应,有效增强CTLA-4抗体介导的免疫治疗效果。王杰博士为论文的第一作者。

自产氧纳米酶为核壳结构,内核是CaO2纳米粒子,外壳是包埋有阿霉素(DOX)的二氧化硅,并吸附有MnO2纳米簇。CaO2水解产生的过氧化氢,能够穿过二氧化硅外壳,并在MnO2的催化下产生氧气。其中,CaO2的水解在酸性条件下更快,因此可以减少血液循环过程中的氧气提前释放,实现肿瘤微环境特异性产氧。

利用钙离子与DOX间的相互作用,可以在CaO2中高效掺杂DOX。而在SiO2壳中包埋DOX,可以实现壳的自降解,降低纳米酶的生物毒性。

以B16F10黑色素瘤皮下荷瘤小鼠为模型,考察了纳米酶的缓解瘤内乏氧能力以及对免疫治疗的增强效果。结果显示瘤内乏氧得到有效缓解。同时,对hypoxia-adenosinergic信号通路中集中关键组分的分析显示该通路被明显抑制。

利用CTLA-4抗体进行的小鼠活体抑瘤实验中,取得了良好的抗肿瘤效果,延长了小鼠生存期。进一步研究显示,由于缓解了瘤内乏氧,Treg细胞数量减少且CD8+T细胞数量增多且在肿瘤组织中的浸润增强。这些结果在激活免疫反应方面能产生协同效应,也体现了纳米酶在设计上的多效性。

研究背景
瘤内乏氧是指肿瘤组织内氧分压低于正常组织氧分压的现象。乏氧的主要原因之一是肿瘤组织快速生长并大量表达血管内皮生长因子,促进血管快速生长,而这些新生血管往往结构不完整,不能有效递送氧气等物质。乏氧可以提高肿瘤对化疗、放疗的抗性,也会通过一系列途径,使免疫治疗效果大打折扣。因此,人们尝试通过各种方法提高瘤内氧含量。例如,有报道称使用中等剂量的抗血管生成药物可以使无功能小血管失活而使血管正常化,最终在一定程度上促进了药物和氧气的递送。然而实际效果往往取决于肿瘤的发展程度,所需药物剂量难以预测且乏氧得到有效缓解的时间窗较短。探索有效、可靠、安全的递氧制剂,是肿瘤治疗领域的一大研究热点。
图文导读
自产氧/自降解纳米酶的制备

如图1所示,首先利用气体扩散法制备粒径均一的CaO2纳米粒子;利用钙离子与DOX间的相互作用,可高效上载DOX。随后在外部包裹掺杂有DOX的SiO2外壳,并吸附二氧化锰纳米簇。所得纳米酶能够自降解(在肿瘤微环境中降解更快),具有良好的生物相容性。对照组包括内核无DOX的纳米粒子,以及无CaO2内核的壳状纳米粒子。

图1 自产氧/自降解纳米酶的合成示意图。

纳米酶的高效产氧及自降解

如图2,纳米酶的产氧过程为,CaO2水解产生过氧化氢,过氧化氢穿过二氧化硅外壳后,在MnO2的存在下产生氧气。CaO2在酸性条件下水解更快,因此可以特异性地在肿瘤微环境释放氧气。同时,二氧化硅外壳中掺杂有DOX,随着DOX的释放,外壳能够逐步崩解。DOX本身是一种广谱化疗药物,因而能够实现化疗-免疫联合治疗。对于乏氧培养的肿瘤细胞,纳米酶能够有效缓解乏氧。

图2 (a)纳米酶的产氧过程及崩解过程示意图。(b)纳米酶在不同pH下的产氧速度。(c)纳米酶在pH 5.5 PBS中孵育时间不同后的电镜表征。(d)B16F10细胞与不同样品共孵育4小时后的激光共聚焦照片用于分析各组的乏氧水平。Hypoxyprobe试剂盒用于检测乏氧水平。(e)纳米酶与对照组纳米粒子(CaO2中不含DOX)在不同pH下的DOX释放情况。
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小鼠活体实验证实,纳米酶能够有效增强CTLA-4抗体对B16F10黑色素瘤的免疫治疗效果。如图3,其原因包括多个方面,包括缓解乏氧后肿瘤微环境中的调节性T细胞数量减少,而CD8+T细胞的瘤内浸润增强。同时,纳米酶中的DOX除了作为化疗药物外,其杀伤的肿瘤细胞还可以作为原位抗原,诱导树突状细胞成熟,刺激肿瘤特异性免疫应答。

图3 (a)经不同给药后的荷瘤小鼠的瘤内Treg细胞群的流式细胞分析结果。(b)经不同给药后的荷瘤小鼠肿瘤深层组织的对HIF-1α和CD8的免疫荧光染色结果。(c)经不同给药治疗后的荷瘤小鼠的腋淋巴结成熟DC细胞的流式细胞分析结果。
作者简介

邓大伟

(本文通讯作者)

中国药科大学教授 博士生导师

主要研究成果

江苏省杰出青年基金获得者,教育部新世纪优秀人才项目获得者,江苏省 “333工程”第三层次培养对象,获教育部自然科学二等奖(2016年度,3/7)。任中国药科大学工学院生物医学工程系主任,科技部纳米专项(青年)会评专家(召集人),江苏省食药总局项目会评专家组长,江苏省博士硕士学位授权-评议专家(2017年),中国光学学会生物医学工程专业委员会青年委员,医疗器械与药学装备专业委员会青年常委,江苏省生物医学工程学会纳米医药专业委员会和生物光子专业委员会委员等。发表SCI科研论文约50篇(一作和通讯作者),包括J. Am. Chem. Soc.,Chem. Mater.,Biomaterials等,并申请1项国际PCT。

Email: dengdawei@cpu.edu.cn

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1 黄永义

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