Adv Mater | 浙江大学叶招明/俞小华/上海交通大学崔文国制备基于纳米结构矿物涂层细胞因子功效系统提高抗肿瘤免疫治疗效果

肿瘤相关巨噬细胞（TAM）重编程是一种有效的癌症免疫治疗方法，但促使TAM重编程的重组细胞因子的生物活性低，其功效仍然有限。mRNA疗法能够产生用于各种治疗目的的全功能蛋白质，但可持续性差。

2023年8月16日，浙江大学叶招明、俞小华及上海交通大学崔文国共同通讯在Advanced Materials在线发表题为“KERS-inspired Nanostructured Mineral Coatings Boost IFNγ mRNA Therapeutic Index for Antitumor Immunotherapy”的研究论文，受混合动力汽车中的动能回收系统（KERS）的启发，该团队设计了细胞因子功效回收系统（CERS），通过携带治疗性细胞因子mRNA的纳米结构矿物涂层发挥“捕获和稳定”机制，大幅提高基于mRNA的肿瘤免疫疗法的治疗指数。

CERS通过将细胞因子捕获到矿物涂层上，回收了近40%的表达细胞因子，以延长其治疗时间，进一步极化巨噬细胞以增强其抗瘤活性，并激活对肿瘤的适应性免疫。值得注意的是，CERS产生的干扰素-γ（IFNγ）的生物活性比重组IFNγ高约42倍，显著降低了TAM重编程所需的IFNγ剂量。在荷瘤小鼠中，IFNγ@CERS有效极化TAM以抑制骨肉瘤发展。与PD-L1单克隆抗体IFNγ联合使用时，IFNγ@CERS显著增强抗肿瘤免疫反应，预防恶性肺转移。因此，CERS介导的mRNA递送是一种增强抗肿瘤免疫的有效策略。

细胞因子作为小型分泌信号蛋白，在体内发挥着启动免疫反应、调节干细胞分化和促进受损组织修复等多种生物学作用。作为一类重要的治疗药物，细胞因子已被广泛应用于临床癌症、骨缺损、慢性肉芽肿等疾病的治疗。目前，细胞因子治疗剂主要通过重组技术生产，以细菌、酵母和其他微生物为宿主大规模生产靶蛋白。然而，重组细胞因子的治疗指数通常远低于天然蛋白质的治疗指数，这大大限制了其临床应用。如发挥正常生物功能所需的干扰素-γ （IFNγ）的生理浓度在人体的皮克范围内，但重组IFNγ （rIFNγ）的临床剂量可高达1mg/天，导致全身毒性和不可避免的副作用，如中性粒细胞减少症。重组细胞因子的低生物活性由多种原因导致，如翻译后修饰不充分、折叠不当、纯化诱导的变性或聚集以及与天然细胞因子的结构差异。重组细胞因子的生物活性不足已成为临床转化的瓶颈，迫切需要能够绕过重组蛋白的低治疗指数并赋予细胞因子高生物活性的新型细胞因子治疗策略。

mRNA在开发新疗法方面应用广泛，其理论上可以在人体内产生任何蛋白质。与DNA治疗不同，mRNA递送不需要转运至靶细胞细胞核，从而避免了插入突变并促进了非有丝分裂细胞群的有效转染。此外，mRNA递送主要依赖于非病毒脂质纳米粒（LNPs），使得mRNA递送安全性高，而质粒DNA通常使用病毒载体递送，面临一定的安全性挑战。mRNA已在各个领域取得了临床成果，如建立在遗传操作基本原理上的mRNA疫苗产生抗原成分，这些抗原成分存在于免疫细胞中，用于长期免疫。两种应对冠状病毒的mRNA疫苗具有超过95%的传播、感染预防功效，于2020年获得FDA的紧急批准。

然而，免疫只需要最小剂量的蛋白质来触发免疫反应和放大抗原信号，但mRNA治疗更具挑战性，因为其需要超过1000倍的蛋白质水平来达到治疗阈值。此外，mRNA及其表达的蛋白质易受酶的影响，如核糖核酸酶和蛋白酶，这些酶在人体中普遍存在，增加了mRNA治疗性递送的难度。mRNA递送产生的细胞因子等蛋白质，在没有保护的情况下，很容易在一天内降解难以达到持久的治疗效果。因此，提高mRNA递送的可持续性对于mRNA疗法的开发尤为重要。

细胞因子功效回收系统制备及作用示意图（摘自Advanced Materials ）

动能回收系统（KERS）是一种动力控制系统，通过在制动过程中储存能量并随后释放回收的动能来提高燃油效率。受KERS的启发，该团队设计了一个细胞因子功效回收系统（CERS），不仅能够改善mRNA表达，还能回收表达的细胞因子，大大增加了基于mRNA的药物的治疗指数。该团队已经报道过矿物涂层微粒（MCMs）MCMs可以通过分泌矿物离子有效改善转基因表达，为实现上述目标，作者在CERS中使用MCMs作为mRNA递送载体，并通过纳米结构的矿物涂层原位捕获表达的蛋白质，以扩展其治疗窗口。作者还通过脂质体纳米颗粒（LNPs）修饰CERS来增加mRNA递送的精度，因为表面修饰的LNPs容易与靶细胞结合。

基于上述研究，该团队假设CERS可以通过主动捕获和稳定不稳定的细胞因子来有效驱动基于mRNA的治疗性细胞因子的产生，大大提高疗效并降低细胞因子治疗的成本和副作用。以IFNγ为例，作者证明了CERS介导的mRNA治疗诱导翻译效率增加了近40%，并捕获了约40%的不稳定IFNγ蛋白，促使IFNγ活性时间加倍。与商业rIFNγ相比，mRNA@CERS表达的IFNγ生物活性增加了约42倍。进行骨肉瘤免疫治疗时，CERS介导的IFNγ  mRNA递送有效地将肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）重编程为抗肿瘤巨噬细胞，通过诱导抗肿瘤免疫显著抑制肿瘤生长。有趣的是，结合程序性细胞死亡配体-1 （PD-L1）抗体治疗，CERS介导的IFNγ mRNA递送可消除极度恶性的肺转移瘤。总的来说，受KERS这一动力控制系统概念的启发，该团队通过CERS介导的mRNA治疗恢复细胞因子功效，提供有效和持续的细胞因子生物治疗新方法，能够广泛应用于医学领域。

参考消息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202304296

转自：“iNature”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！