解开植物病毒为何如此强大的抗癌之谜

诸平

Veronique Beiss, who is the study’s first author, prepares a tray of plants to produce cowpea mosaic virus nanoparticles. Credit: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering

据美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego简称UCSD） 2022年5月2日提供的消息，豇豆花叶病毒（Cowpea mosaic virus）是一种感染豆类的植物病毒，但是，其具有一种你可能不知道的特殊能力：当注射到肿瘤中时，它会激活免疫系统来治疗癌症——甚至是转移性癌症——并防止它复发。

加州大学圣地亚哥分校（UCSD）和美国达特茅斯学院（Dartmouth College）的研究人员在过去7年中一直在研究和测试纳米颗粒形式的豇豆花叶病毒作为癌症免疫疗法，并在实验室小鼠和伴侣犬患者中报告了令人鼓舞的结果。它的有效性是研究人员检查的其他抗癌技术所无法比拟的。然而，其有效的确切原因仍然是一个谜。不过，2022年3月25日在《分子药剂学》（Molecular Pharmaceutics）杂志网站发表的一项研究——Veronique Beiss, Chenkai Mao, Steven N. Fiering, Nicole F. Steinmetz. Cowpea Mosaic Virus Outperforms Other Members of the Secoviridae as In Situ Vaccine for Cancer Immunotherapy. Molecular Pharmaceutics, 2022, 19(5): 1573–1585. DOI: 10.1021/acs.molpharmaceut.2c00058. Publication Date: March 25, 2022. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.molpharmaceut.2c00058，在此论文中，研究人员发现了解释为什么豇豆花叶病毒对癌症特别有效的细节。上述图片就是此研究论文的第一作者薇罗尼卡·贝斯（Veronique Beiss，见上图照片）准备了一盘植物来生产豇豆花叶病毒纳米颗粒。

这项工作由加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院（UC San Diego Jacobs School of Engineering）纳米工程教授尼科尔·斯坦梅茨（Nicole Steinmetz）和达特茅斯学院盖泽尔医学院（Geisel School of Medicine at Dartmouth）微生物学和免疫学教授史蒂文·菲林（Steven Fiering）领导。尼科尔·斯坦梅茨和史蒂文·菲林是一家名为马赛克免疫工程公司（Mosaic ImmunoEngineering Inc.）的生物技术初创公司的联合创始人，该公司已获得豇豆花叶病毒纳米技术的许可，并正在努力将其转化为临床癌症免疫疗法。

同时担任加州大学圣地亚哥分校纳米免疫工程中心（Center for NanoImmunoEngineering at UC San Diego）主任的尼科尔·斯坦梅茨说：“这项研究有助于验证豇豆花叶植物病毒纳米颗粒是我们的主要癌症免疫疗法候选者。现在我们有机械数据（mechanistic data）来解释为什么它是最有效的候选者，这进一步降低了临床转化的风险。”

到目前为止，尼科尔·斯坦梅茨、史蒂文·菲林和他们的团队已经大致了解了他们的主要候选者是如何工作的。豇豆花叶病毒纳米颗粒在植物中具有传染性，但在哺乳动物中不具有传染性，可直接注射到肿瘤内，作为免疫系统诱饵。身体的免疫细胞将病毒纳米颗粒识别为外来物质，并被激发攻击。当免疫细胞看到病毒纳米颗粒在肿瘤内时，它们会追踪癌细胞。

尼科尔·斯坦梅茨指出，这种方法的美妙之处在于它不仅可以治疗那个肿瘤，而且还可以针对任何转移性和未来的肿瘤发起全身免疫反应。研究人员已经看到它在黑色素瘤（melanoma）、卵巢癌（ovarian cancer）、乳腺癌（breast cancer）、结肠癌（colon cancer）和神经胶质瘤（glioma）的小鼠模型中起作用。他们还成功地使用它来治疗患有黑色素瘤、乳腺癌和肉瘤（sarcoma）的犬类患者（canine patients）。

同样有趣的是，与研究人员研究的其他植物病毒或病毒样颗粒相比，豇豆花叶病毒在引发抗癌免疫反应方面效果最好。上述研究论文的第一作者、尼科尔·斯坦梅茨实验室的前博士后研究员薇罗尼卡·贝斯说：“我们已经证明它是有效的，现在我们需要展示是什么让它如此特别，以至于它可以引起这种反应，这就是我们希望填补的知识空白。”

为了得到答案，研究人员将豇豆花叶病毒与来自同一科的另外两种具有相同形状和大小的植物病毒进行了比较。一种病毒，豇豆严重花叶病毒（cowpea severe mosaic virus），具有相似的RNA序列和蛋白质组成。另一种烟草环斑病毒（tobacco ring spot virus）仅在结构上相似。尼科尔·斯坦梅茨说：“我们认为这些将是很好的比较，看看这种有效的抗肿瘤功效是否在这个特定的植物病毒家族中发挥作用。我们可以通过比较有和没有序列同源性（sequence homology）的亲缘关系来更深入地挖掘。”

研究人员创建了基于植物病毒的纳米粒子免疫疗法，并将它们注射到小鼠的黑色素瘤肿瘤中。每种免疫疗法候选者分三剂给药，间隔7天。给予豇豆花叶病毒纳米颗粒的小鼠存活率最高，肿瘤最小，第二次给药后肿瘤生长基本停止4天。

然后研究人员从接受治疗的小鼠的脾脏和淋巴结中提取免疫细胞并对其进行分析。他们发现植物病毒都有一个蛋白质外壳，可以激活免疫细胞表面的受体，称为 toll 样受体（called toll-like receptors）。但豇豆花叶病毒的独特之处在于它通过其RNA激活了一个额外的toll样受体。激活这种额外的受体会触发更多类型的促炎蛋白（pro-inflammatory proteins），称为细胞因子（cytokines），这有助于增强免疫系统的抗癌反应。换句话说，引发更强的炎症反应会使免疫系统更加努力地寻找和清除肿瘤，薇罗尼卡·贝斯解释说。

该团队的分析还发现了豇豆花叶病毒增强免疫反应的另一种独特方式。第二次给药后4天，研究人员测量了高水平的细胞因子。这些水平在很长一段时间内都保持在高位。薇罗尼卡·贝斯说：“我们在其他两种植物病毒中没有看到这一点。细胞因子水平迅速达到峰值，然后下降并消失。这种延长​​的免疫反应是使豇豆花叶病毒与众不同的另一个关键区别。”

虽然这揭示了豇豆花叶病毒的优越效力和功效，但尼科尔·斯坦梅茨承认还有更多工作要做。她说：“我们在这里发现的答案引发了更多问题。这种病毒纳米颗粒是如何在细胞中加工的？它的 RNA 和蛋白质会发生什么变化？为什么豇豆花叶病毒的RNA能被识别，而其他植物病毒的RNA却不能？了解这种粒子通过细胞的详细过程以及它与其他粒子的比较将有助于我们确定是什么让豇豆花叶病毒对癌症具有独特的疗效。”

这项工作由美国国立卫生研究院 (National Institutes of Health: grants U01-CA218292, R01-CA224605, R01 CA253615) 和美国国防部国会指导的医学研究计划 (Department of Defense, Congressionally Directed Medical Research Program: W81XWH2010742) 资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Cancer Immunotherapy: The Cowpea Mosaic Virus Effective in Treating Cancer

Abstract

In situ vaccination for cancer immunotherapy uses intratumoral administration of small molecules, proteins, nanoparticles, or viruses that activate pathogen recognition receptors (PRRs) to reprogram the tumor microenvironment and prime systemic antitumor immunity. Cowpea mosaic virus (CPMV) is a plant virus that─while noninfectious toward mammals─activates mammalian PRRs. Application of CPMV as in situ vaccine (ISV) results in a potent and durable efficacy in tumor mouse models and canine patients; data indicate that CPMV outperforms small molecule PRR agonists and other nonrelated plant viruses and virus-like particles (VLPs). In this work, we set out to compare the potency of CPMV versus other plant viruses from the Secoviridae. We developed protocols to produce and isolate cowpea severe mosaic virus (CPSMV) and tobacco ring spot virus (TRSV) from plants. CPSMV, like CPMV, is a comovirus with genome and protein homology, while TRSV lacks homology and is from the genus nepovirus. When applied as ISV in a mouse model of dermal melanoma (using B16F10 cells and C57Bl6J mice), CPMV outperformed CPSMV and TRSV─again highlighting the unique potency of CPMV. Mechanistically, the increased potency is related to increased signaling through toll-like receptors (TLRs)─in particular, CPMV signals through TLR2, 4, and 7. Using knockout (KO) mouse models, we demonstrate here that all three plant viruses signal through the adaptor molecule MyD88─with CPSMV and TRSV predominantly activating TLR2 and 4. CPMV induced significantly more interferon β (IFNβ) compared to TRSV and CPSMV; therefore, IFNβ released upon signaling through TLR7 may be a differentiator for the observed potency of CPMV-ISV. Additionally, CPMV induced a different temporal pattern of intratumoral cytokine generation characterized by significantly increased inflammatory cytokines 4 days after the second of 2 weekly treatments, as if CPMV induced a “memory response”. This higher, longer-lasting induction of cytokines may be another key differentiator that explains the unique potency of CPMV-ISV.