蘇州大學Nano Lett.報道: 鐵納米粒子用于低功率局部磁熱治療結合免疫檢查點阻斷實現全身抗腫瘤治療

【背景介紹】

磁熱療法（MHT）是一種利用磁性納米粒子在強交變磁場（AMF）下產生大量熱量殺死腫瘤的技術。對比光熱療法，由于AMF具有優異的組織穿透能力，所以MHT可以殺死各種器官中的深部腫瘤。雖然MHT作為局部治療實體瘤的微創方法在臨床上進行了測試，但是目前的MHT還存在許多局限性。此外，MHT治療難以殺死的轉移性腫瘤。雖然純鐵納米顆粒（FeNPs）可能是有效的MHT試劑，但是鐵容易在水溶液中被氧化。盡管已有很多報道為利用無機的殼涂覆鐵芯來制造用于各種生物醫學應用的含鐵的核殼納米顆粒，但是很少報道使用純FeNPs進行體內MHT消融腫瘤。其中，免疫檢查點阻斷（ICB）等癌癥免疫療法通過激活患者自身的免疫系統來殺死腫瘤細胞。然而，尚未報道MHT療法與ICB免疫療法的組合。

【成果簡介】

最近，蘇州大學的劉莊教授（通訊作者）課題組報道了一種通過化學還原方法制備純鐵納米顆粒（FeNPs），利用聚乙二醇（PEG）/多巴胺（DA）共接枝聚合物進行官能化，得到PEG化FeNPs。這種生物相容性聚合物修飾的FeNPs具有良好的水溶液穩定性，且是一種高效的MHT試劑，在低功率AFM下就能產生足夠的熱量。然后，通過局部或靜脈注射FeNPs，在局部施加腫瘤聚焦恒定磁場的幫助下，增強這些納米顆粒在腫瘤處的累積，從而實現對腫瘤的有效MHT消融。作者進一步證明基于FeNPs的MHT與局部注射納米佐劑和抗細胞毒性T淋巴細胞的抗原-4（抗-CTLA4）檢查點阻斷相結合，可產生抑制腫瘤轉移的全身治療反應。在聯合應用MHT免疫治療后，還可以觀察到一種強大的免疫記憶效應，以防止腫瘤復發。該研究不僅發現PEG表面修飾的FeNPs可以作為一種高效的MHT藥物，而且還提出了將MHT與ICB免疫治療相結合以在局部MHT治療后實現長期的全身治療反應而提出新的策略。研究成果以題為“Iron Nanoparticles for Low-Power Local Magnetic Hyperthermia in Combination with Immune Checkpoint Blockade for Systemic Antitumor Therapy”發布在著名期刊Nano Lett.上。該論文第一作者為劉莊教授課題組博士生巢宇。

【圖文解讀】

圖一、PRG化FeNPs的制備和表征
（a）PEG化FeNPs的合成和表面修飾的示意圖；

（b）PEG化FeNPs的TEM圖像；

（c）FeNPs和PEG化FeNPs在T=300 K時相應的磁滯回線；

（d）FeNPs、IONC、CIONP和IONP的溫度依賴性磁化；

（e）以100 kHz的FeNPs、IONC、CIONP和IONP測量的SAR；

（f, g）FeNPs、IONC、CIONP和IONP的實時體內IR熱成像和溫度上升曲線。

圖二、體內磁熱療法（MHT）
（a）局部注射FeNPs后體內MHT的示意圖；

（b）磁流交變機的照片；

（c, d）AMF下小鼠的實時體內IR熱成像（c）和溫度上升曲線（d）；

（e, f）各種處理后不同組小鼠的腫瘤生長曲線（e）和存活天數（f）；

（g）在磁性腫瘤靶向的幫助下，全身注射后體內MHT的示意圖；

（h）通過靜脈內注射Cy5.5標記的FeNPs的光學熒光成像；

（i）靜脈注射后小鼠中Cy5.5標記的FeNPs的血液循環曲線圖；

（j）FeNPs在小鼠中的生物分布特征；

（k, l）小鼠的實時體內IR熱成像和腫瘤溫度上升曲線；

（m, n）各種處理后的腫瘤生長曲線和存活百分比。

圖三、體內MHT免疫療法實現CT26腫瘤模型的遠隔效應
（a）MHT+CTLA4阻斷以抑制遠處腫瘤生長的示意圖；

（b, c）CT26腫瘤模型在各種治療后原發性和遠程的腫瘤生長曲線；

（d）CT26腫瘤模型在各種治療后不同腫瘤組的存活百分比；

（e）流式細胞圖顯示復發性腫瘤中不同組的T細胞；

（f）流式細胞圖顯示在各種處理后，復發性腫瘤中CD4+FoxP+T細胞的百分比；

（g, h）腫瘤內腫瘤浸潤性CD8+殺傷T細胞和CD4 + FoxP3 +調控T細胞的比例；

（i）CD8+CTL在第一次去除腫瘤的各種處理后，復發性腫瘤中的Tregs比率；

（j）不同處理后第1、5和9天分離的小鼠血清中的細胞因子水平。

圖四、免疫記憶效應
（a）評估MHT免疫療法后免疫記憶效應的實驗設計；

（b, c）在各種處理后不同組的腫瘤生長曲線；

（d）在各種處理后不同組的存活百分比；

（e）第40天通過流式細胞儀分析脾臟中的效應記憶T細胞的比例；

（f）用復發性腫瘤再次攻擊小鼠后，第5天分離小鼠血清中的細胞因子水平；

（g）由基于FeNP/PR的MHT與檢查點阻斷組合誘導的抗腫瘤免疫應答的機制。

圖五、MHT+CTLA4阻斷原位小鼠癌癥模型
（a）MHT+CTLA4阻斷以抑制原位B16黑素瘤腫瘤模型中的遠處腫瘤的示意圖；

（b, c）在各種處理后原發性和遠程腫瘤的腫瘤生長曲線；

（d）在各種處理后不同腫瘤組的存活百分比；

（e）MHT+CTLA4阻斷以抑制原位4T1乳腺腫瘤模型中的自發性腫瘤轉移的示意圖；

（f）體內生物發光圖像以跟蹤各種處理后小鼠中轉移4T1細胞的擴散和生長以消除其原發性腫瘤

（g）在各種治療后攜帶具有自發轉移的原位4T1腫瘤的小鼠的存活表明消除其原發性乳腺腫瘤。

【小結】

綜上所述，作者開發了PEG化FeNPs作為一種高效的MHT藥物，使用便攜式設備在低功率AMF下殺死腫瘤。該研究首次證實了MHT與免疫治療的結合。這種局部腫瘤消融后的MHT免疫治療能夠觸發全身腫瘤特異性免疫反應，攻擊全身擴散的轉移性腫瘤，還能產生長期的免疫記憶，以防止腫瘤的復發。作者的研究發現可能會擴展MHT在晚期癌癥遠端轉移患者的臨床治療中的應用。由于鐵是體內豐富的元素，PEG化FeNPs可以很容易地制備和儲存，對于MHT消融治療或針對癌癥的聯合MHT免疫治療在臨床轉化中都具有巨大的潛力。

文獻鏈接：Iron Nanoparticles for Low-Power Local Magnetic Hyperthermia in Combination with Immune Checkpoint Blockade for Systemic Antitumor Therapy（Nano Lett., 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b00579）

通訊作者簡介

劉莊教授為國家杰青、長江學者、英國皇家化學會(RSC) Fellow、美國醫學與生物工程學會(AIMBE) Fellow；發表學術論文280余篇，總SCI引用4萬余次，H因子106；于2015-2018年連續入選“全球高被引科學家”，任生物材料領域國際著名期刊Biomaterials副主編。

在腫瘤免疫治療領域，劉莊教授團隊自2014年起基于納米生物材料已經發展了一系列光熱治療、光動力治療、放射治療等局部腫瘤療法介導的免疫治療策略，其核心思想是在局部治療殺滅原位腫瘤后通過免疫刺激產生“腫瘤特異性疫苗”，并在免疫檢查點阻斷療法的幫助下放大抗腫瘤免疫反應，從而抑制腫瘤轉移與復發。相關代表性工作列舉如下：

Qian Chen, Jiawen Chen, Zhijuan Yang, Jun Xu, Ligeng Xu, Chao Liang, Xiao Han and Zhuang Liu*. “Nanoparticle-Enhanced Radiotherapy to Trigger Robust Cancer Immunotherapy” Adv. Mater., 31(10), e1802228 (2019)

Yu Chao, Ligeng Xu, Chao Liang, Liangzhu Feng, Jun Xu, Ziliang Dong, Longlong Tian, Xuan Yi, Kai Yang* and Zhuang Liu*. "Combined Local Immunostimulatory Radioisotope Therapy and Systemic Immune Checkpoint Blockade Imparts Potent Antitumour Responses" Nat. Biomed. Eng., 2, 611-621(2018).

Guangbao Yang, Ligeng Xu, Yu Chao, Jun Xu, Xiaoqi Sun, Yifan Wu, Rui Peng, and Zhuang Liu*. “Hollow MnO2 as A Tumor-microenvironment-responsive Biodegradable Nano-platform for Combination Therapy Favoring Antitumor Immune Responses” Nat. Commun., 8, 902 (2017).

Qian Chen, Ligeng Xu, ChaoLiang, Chao Wang, Rui Peng, and Zhuang Liu*. “Photothermal Therapy with Immune-adjuvant Nanoparticles Together with Checkpoint Blockade for Effective Cancer Immunotherapy” Nat. Commun., 7, 13193 (2016).

Chao Wang, Ligeng Xu, Chao Liang, Jian Xiang, Rui Peng, and Zhuang Liu*. “Immunological Responses Triggered by Photothermal Therapy with Carbon Nanotubes in Combination with Anti-CTLA-4 Therapy to Inhibit Cancer Metastasis” Adv. Mater., 26, 8154-8162 (2014).

課題組網頁：http://nano.suda.edu.cn/lz/

本文由CQR編譯。

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