专访上海交大张川:核酸纳米凝胶实现协同癌症光免疫治疗

2022年5月10日 by 没有评论

2022年4月20日,上海交通大学张川团队等在 Science Advances 发表论文,开发了一种新型纳米凝胶,能够联合光动力疗法和癌症免疫疗法,更好地发挥协同治疗作用。

《生物世界》第一时间采访了张川博士,我们一起来了解这项研究成果的历程,以及带给我们的启发和影响。

免疫逃逸是肿瘤发生和发展的关键原因之一,它帮助了肿瘤细胞逃避了来自免疫细胞的致命攻击。为了实现免疫逃逸,实体瘤通常会过表达各种抑制性的免疫检查点受体(例如PD-L1),并招募调节性T细胞(Treg)和髓源性抑制细胞(MDSC),从而建立免疫抑制性肿瘤微环境。

针对 PD-1/PD-L1 通路的免疫检查点阻断疗法(ICB)可以调节肿瘤微环境并恢复细胞毒性 T 淋巴细胞(CTL)功能,这一发现改变了癌症治疗格局,对多种癌症具有很好的治疗效率。詹姆斯·艾利森和本庶佑也因此获得2018年的诺贝尔生理学或医学奖。

然而,由于实体肿瘤组织中 T 细胞浸润不足,PD-1/PD-L1 免疫检查点阻断疗法反应率不足,大约只有对20%的癌症患者有效。因此,将免疫检查点阻断疗法与其他可以引发肿瘤免疫原性或增加 T 细胞浸润的方法相结合,有望提高癌症治疗效果,也正在成为当前的研究热点。

该研究开发了一种可同时装载 PD-L1 siRNA 和光敏剂 PPA 的纳米凝胶,能够双管齐下,在产生更强的光动力疗法效果、杀死肿瘤细胞的同时,还能显著诱导肿瘤细胞免疫原性死亡,抑制肿瘤转移。上海交通大学张川、上海交通大学附属第六人民医院李跃华、中科院上海药物所于海军研究员为该论文共同通讯作者

张川博士表示,核酸纳米凝胶是一种通用型平台,不仅可以用来递送 siRNA,还可以通过碱基配对负载和递送多种不同功能的核酸分子及其复合物,团队之前的工作已经实现了 miRNA、Cas9-sgRNA复合物以及 mRNA 的递送。

张川本科和硕士均毕业于清华大学,2011年博士毕业于美国普渡大学,2011-2014年在美国西北大学化学系查德·米尔金(Chad Mirkin)实验室从事博士后研究工作,米尔金是美国三院院士、中国科学院外籍院士,在纳米科学领域取得了一系列影响深远的成就,是该领域的国际顶尖专家。

2014年,张川回国加入了上海交通大学化学化工学院,建立了自己的实验室。在这里,他的研究方向主要是核酸分子的修饰与组装,新型核酸药物和递送系统开发,以及核酸药物在疾病治疗上的应用。张川博士

免疫检查点阻断疗法(ICB)是当前癌症治疗的有效方法。而光动力疗法(PDT)可通过激光照射让光敏剂产生具有细胞毒性的活性氧来杀死癌细胞。此外,光动力疗法还可以诱导肿瘤免疫原性细胞死亡,并招募树突状细胞呈递肿瘤相关抗原,然后激活效应 T 细胞并诱导抗肿瘤免疫反应,是一种非侵入性和特异性的新型抗肿瘤方法。

理论上,光动力疗法(PDT)可以与免疫检查点阻断疗法(ICB)很好地结合在一起,协同发挥抗肿瘤作用。

张川博士指出,光动力疗法使用的光敏剂是疏水性的,免疫检查点阻断疗法的单克隆抗体则是大分子蛋白质,而这之间的内在差异,导致它们很难被共同装载到一个集成的纳米载体中,因此,之前的研究通常是通过先后顺序给药的方式来进行研究。这种顺序给药,难以避免它们二者各自存在的缺点。由于这两种药物分子不同的药代动力学特征,这种顺序给药方式通常也难以实现两种治疗模式的有效协同。

光敏剂的疏水特性、激光穿透性有限,以及缺氧和免疫抑制的肿瘤微环境往往阻碍了光动力疗法(PDT)的治疗效果。而单克隆抗体通常存在着扩散差、肿瘤穿透率低以及免疫相关不良反应等问题。而且单克隆抗体只是能阻断细胞膜上表达的免疫检查点蛋白,细胞仍然会源源不断的表达蛋白来进行补偿。

为了克服这些问题,使用小干扰 RNA(siRNA),直接敲低 PD-1/PD-L1 的表达,是一种增强 T 细胞介导的肿瘤杀伤的有效替代方法。与单克隆抗体相比,siRNA 可以直接从细胞内下调免疫检查点蛋白,从而增强光动力疗法诱导的抗肿瘤免疫反应,从而发挥协同抗肿瘤作用。

但这种联合疗法,同样存在着递送难题,张川博士表示,尽管已有研究使用各种纳米载体共装载光敏剂和 siRNA,但这些纳米载体的装载能力、siRNA压缩效率及生物相容性难以满足肿瘤治疗的苛刻要求。因此,非常需要开发出能够有效地共装载 siRNA 和光敏剂的用于光动力免疫治疗的新型载体。

近年来,DNA 作为一种新型非阳离子载体受到越来越多的关注,由于其良好的生物相容性,DNA 纳米结构可用来进行药物递送。张川的博士后合作导师查德·米尔金(Chad Mirkin)开发的球形核酸(SNA)就被用于递送核酸或小分子,但这种递送方式是将寡核苷酸固定在 DNA 纳米结构的外壳上,因此容易被核酸酶所降解。

为了解决这个问题,张川团队提出了一种高效递送功能核酸(如siRNA、miRNA、Cas9/sgRNA复合物等)的自组装核酸纳米凝胶平台,用做治疗的功能核酸被设计为用于纳米凝胶组装的交联剂,并嵌入到三维结构中。

在这项最新研究中,张川团队在之前的基础上,设计了 PD-L1 siRNA 交联剂,将脱镁叶绿素A(PPA)光敏剂移植到预先设计的硫代磷酸酯修饰位点的 DNA 骨架上,由此合成的四个 PPA 接枝 DNA ,可组装成四面体框架。通过超分子自组装进一步与 PD-L1 siRNA 连接子结合,形成 siRNA 和 PPA 共装载的纳米凝胶。在这种纳米凝胶系统中,亲水性 DNA 有助于 PPA 均匀溶解。因此,含有光敏剂的纳米凝胶表现优异水溶性,这促进了活性氧的产生,并引起显著的肿瘤细胞免疫原性细胞死亡。同时,纳米凝胶释放的 siRNA 还会下调肿瘤细胞中 PD-L1 的表达,从而协同促进细胞毒性 T 淋巴细胞(CTL)介导的肿瘤杀伤作用。从而实现对原发肿瘤和远端肿瘤的强烈抑制。总的来说,该研究开发了一种非阳离子纳米载体平台,可同时递送免疫检查点阻断疗法和光动力疗法,具有良好的生物安全性、优异的光动力效率、促进免疫反应、有效的肿瘤抑制和抗肿瘤转移效率,为开发新型组合抗肿瘤疗法铺平了道路。

张川博士表示,这一核酸纳米凝胶除了可用于癌症治疗,团队主要考虑一些可局部给药的适应症,并且可以将其做成宏观凝胶可注射形式,目前正在进行相关的研究和探索工作。

张川博士还表示,从目前的的实验结果来看,纳米凝胶的体内药代动力学特性还不理想,循环时间短。另外,球形核酸(SNA)本身的内涵体逃逸能力通常还不是很好,影响所负载的功能核酸发挥治疗效果。这项研究是利用光照方式来促进纳米凝胶实现内涵体逃逸,未来在上述两方面还需进一步探索和改进,以进一步增强治疗效果。

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