国家纳米科学中心赵宇亮院士、王浩研究员团队《Adv. Mater.》：硒肽激活自然杀伤细胞增强肿瘤化学免疫联合治疗

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硒是人体必需的微量元素，主要以硒肽的形式作为硒蛋白的核心组成部分，能够维持机体氧化还原平衡，消除炎症以及活性氧对组织和细胞的氧化应激损伤，调节甲状腺代谢与免疫系统。硒与硫同为第六主族元素，都具有氧化还原特性。但是硒原子的电负性更低，原子半径更大，能够更加灵敏和快速地与活性氧反应。因此，含硒材料是最理想的活性氧响应材料之一。近年来，含硒纳米生物材料迅速发展，包括含硒小分子组装体、含硒高分子、无机硒纳米粒子、量子点等被纷纷开发出来，在生命医学领域特别是肿瘤治疗与炎症性疾病治疗方面展现出了巨大的前景。然而，这些含硒纳米材料往往面临生物相容性或者化学结构可控性等方面的挑战。硒肽作为硒蛋白的同源物质，具有良好的生物相容性、分子结构和自组装可调控性，有望成为新型的活性氧超敏响应性纳米生物材料，用于生命过程的调控和疾病治疗。不过硒肽纳米材料在纳米医学领域中的应用还鲜有报道。
另一方面，化疗与免疫治疗的联合能够有效提高肿瘤治疗的效果，已经成为癌症治疗的新趋势。随着纳米科技的快速发展，纳米载药体系在联合肿瘤化疗与免疫治疗方面展现出了巨大的前景。然而，如何实现药物的精准递送和免疫治疗的高效协同联合，仍然是科学家们面临的巨大挑战。针对这一问题，国家纳米科学中心赵宇亮院士、王浩研究员、易宇副研究员，以及天津理工大学杨进军教授在《Advanced Materials》期刊上发表了题为“Selenopeptide Nanomedicine Activates Natural Killer Cells for Enhanced Tumor Chemoimmunotherapy”的文章（DOI: 10.1002/adma.202108167），报道了一种能够激活自然杀伤（NK）细胞增强肿瘤化学免疫联合治疗的自组装硒肽纳米药物。该硒肽纳米药物具有深层次渗透肿瘤组织的能力，并且灵敏响应肿瘤细胞中的活性氧（约100 μM），可控释放装载的化疗药物阿霉素。阿霉素进一步提高胞内活性氧水平，促进硒肽的氧化断裂，其产物能够降低肿瘤细胞中人类白细胞抗原（HLA-E）的表达，阻断NK细胞上凝集素样受体NKG2A与HLA-E的识别，激活NK细胞的抗肿瘤活性实现化疗与免疫治疗的有效联合。
他们首先合成了含有烷基链的硒氨基酸，并基于模块化的分子设计思路，采用成熟的多肽固相合成技术制备了具有肿瘤靶向模块、酶响应断裂模块、灵敏响应活性氧功能的硒肽（图1a）。该硒肽的两端分别含有亲水性的氨基酸残基和疏水性的烷基链尾巴，能够装载阿霉素形成纳米药物，注射到小鼠体内后通过靶向效果增强肿瘤富集，并在特定酶的剪切下形成更小的纳米粒子增强肿瘤组织渗透。进入肿瘤细胞后响应活性氧实现药物释放，并激活NK细胞实现化疗与免疫治疗的联合（图1b）。 
图1 自组装硒肽纳米药物增强肿瘤化学免疫联合治疗。 他们详细研究了硒肽的氧化响应特性。结果显示，硒肽能够灵敏响应对应于肿瘤细胞活性氧浓度的过氧化氢（100 μM），在30分钟的氧化程度达到76%，而相似结构的硫肽在2小时的氧化程度只有13%（图2c，d）。有趣的是，他们发现硒肽能够在过氧化氢条件下发生氧化断裂反应，生成烷基亚硒酸和烷基硒酸、以及N-丙酮酸取代的不含硒多肽片段。而且随着过氧化氢浓度升高到200 μM，硒肽的氧化断裂反应程度也随之提高2.8倍（图2e-h）。
 图2 硒肽的刺激响应性质与氧化产物研究。（a）硒肽与硫肽的化学结构式。（b）硒肽能够在MMP-2酶的作用下发生剪切断裂。（c-d）硒肽与硫肽在100 μM过氧化氢条件下的响应性质比较。（e-h）硒肽和硫肽的氧化产物分析。 在进一步的实验中，他们验证了硒肽纳米药物能够在肿瘤组织过表达的MMP-2酶的剪切下形成更小的纳米颗粒，并在过氧化氢刺激下解组装从而释放药物（图3）。 
图3 硒肽纳米药物的刺激响应性质研究。（a）硒肽纳米药物在MMP-2酶的剪切下形成更小的纳米颗粒，并在100 μM过氧化氢刺激下解组装。（b）不含硒的对照组多肽的化学结构式。（c）采用Dil探针测试硒肽纳米药物的稳定性。（d）硒肽纳米药物的刺激响应药物释放情况。 接下来他们在细胞层面探究了硒肽纳米药物对于NK细胞抗肿瘤活性的激活能力。根据文献报道，亚硒酸盐或者有机亚硒酸化合物在肿瘤细胞氧化还原失衡时能发挥降低HLA-E表达的能力。实验结果表明，阿霉素和装载了阿霉素的硒肽纳米药物均能够提高肿瘤细胞活性氧水平，而单独的硒肽并无此效果（图4d）。肿瘤细胞活性氧水平的提高有利于硒肽的氧化断裂，促进能够降低HLA-E表达的烷基亚硒酸和烷基硒酸的生成。蛋白印迹实验结果显示（图4e），只有阿霉素与硒肽联用才能够有效降低肿瘤细胞中HLA-E的表达。而两者的协同效应则提高了NK-92MI细胞的IFN-γ分泌水平以及抗肿瘤效果（图4f，g）。此外，在MMP-2酶的作用下，硒肽纳米药物能够显著增强在肿瘤细胞球状体中的渗透效果（图4h）。 
图4 硒肽纳米药物激活NK细胞的抗肿瘤活性。（a，b）硒肽纳米药物在MDA-MB-231细胞中的摄取情况。（c）硒肽纳米药物在细胞层面的抗肿瘤活性。（d）硒肽纳米药物提高肿瘤细胞内活性氧水平。（e-g）硒肽纳米药物降低肿瘤细胞中HLA-E的表达水平，提高NK细胞的IFN-γ表达水平和抗肿瘤活性。（h）MMP-2酶促进硒肽纳米药物在细胞球状体中的渗透效果。
 在活体水平，硒肽纳米药物展现出了肿瘤富集增强（图5b）、肿瘤组织渗透能力提高、以及使肿瘤组织中NK细胞含量增加的效果（图5c），显著抑制了MDA-MB-231三阴性原位乳腺癌荷瘤鼠模型中肿瘤的生长，肿瘤抑制率达到86%（图5d-h）。值得注意的是，NK细胞的协同性免疫治疗是硒肽纳米药物抗肿瘤效果提升的重要因素（图5k-j）。 
图5 硒肽纳米药物有效抑制荷瘤鼠三阴性原位乳腺癌的生长。（a）硒肽纳米药物与小分子相比拥有更长的血液循环时间。（b）硒肽纳米药物在肿瘤组织中的富集增强。（c）硒肽纳米药物增加肿瘤组织中的NK细胞含量。（d-h）硒肽纳米药物在MDA-MB-231三阴性原位乳腺癌荷瘤鼠模型中的抗肿瘤活性评价。（i）肿瘤组织切片TUNEL染色分析。（k-j）肿瘤组织切片HLA-E染色和IFN-γ染色分析显示，硒肽纳米药物使得肿瘤组织中HLA-E表达下降，IFN-γ的含量升高。 综上所述，硒肽纳米药物通过程序化递送阿霉素并协同激活NK细胞的免疫治疗活性，实现了化疗与免疫治疗的有效联合。这一类硒肽具有生物相容性好、模块化高度可设计性、以及灵敏响应活性氧的特点，有望作为活性氧超敏响应材料在肿瘤免疫治疗以及炎症类疾病治疗中发挥重要的价值。 原文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108167

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