Adv Sci︱梁晓龙/赵潇合作发现巨噬细胞外泌体在肿瘤放疗领域的重要应用

撰文︱马晓途

责编︱王思珍

编辑︱杨   婵

放疗（radiotherapy）是恶性实体肿瘤最有效的治疗方式之一，尽管其临床应用广泛，放疗的疗效仍然面临很多限制因素，例如，胰腺癌、胶质母细胞瘤等癌症类型存在多种放疗抵抗（radiotherapy resistance）机制，治疗效果不佳；很多患者放疗后有较高的肿瘤复发率和转移率[1, 2]。提高放疗剂量能够增加治疗效果，但高剂量的电离辐射对正常组织造成损害，导致放射性肺炎、肠炎等不良反应[3]。因此，迫切需要开发安全有效的放疗增敏制剂，以增强放疗疗效和减少副作用。外泌体（exosomes）是细胞分泌的尺寸为30-150纳米的囊泡，可以通过各种转运机制实现从供体细胞至受体细胞的跨细胞物质转运，具有出色的生物相容性、较低的毒性和免疫原性、较高的体内循环稳定性和完全可降解性。因此，工程化改造的外泌体可以作为优良的药物递送系统，已被广泛用作化疗/免疫治疗药物、核酸药物和光热/光动力药物的递送系统[4, 5]。然而，工程化外泌体在放疗增敏领域的研究相对较少。已有的研究主要是利用肿瘤细胞来源的外泌体增加放疗药物（例如碳基锰）的肿瘤靶向性。免疫细胞分泌的外泌体含有大量的具有免疫调节功能的活性物质，在肿瘤治疗领域受到越来越多的关注。例如，树突状细胞来源的外泌体表面含有多肽-MHC（major histocompatibility complex）复合物，能够有效激活 T 细胞以促进抗肿瘤免疫[6]。这些免疫细胞来源的外泌体能否增强放疗疗效？能否将它们开发成为放疗增敏药物的递送系统？迄今为止鲜有相关探索。

2022年6月17日，北京大学第三医院梁晓龙研究员和国家纳米科学中心赵潇研究员在Advanced Science上发表题为“Functional Immune Cell-Derived Exosomes Engineered for the Trilogy of Radiotherapy Sensitization”的研究论文。该研究首次以巨噬细胞来源的外泌体为切入点，探究了免疫细胞来源的外泌体在肿瘤放疗增敏领域的重要应用。研究者发现M1型巨噬细胞来源的外泌体（M1 macrophages-derived exosomes，M1Exos）能够促进TAMs的极化，增强放疗的治疗效果。工程化改造的M1Exos可以将多种放疗增敏药物和免疫治疗药物递送至肿瘤，通过“改善肿瘤乏氧、抑制放疗后DNA的损伤修复、重塑肿瘤免疫抑制微环境”三重的、贯序的、协同的增敏机制，达到极佳的放疗治疗效果，展示出工程化M1Exos可以作为新型有效的放疗增敏药物递送平台。

肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophages，TAMs）分为促肿瘤的M2表型和抗肿瘤的M1表型，TAMs的极化在放疗预后中发挥重要作用。放疗会促进M1型的TAMs极化为M2表型，从而抑制 T 细胞介导的抗肿瘤免疫反应，促进肿瘤进展，影响放疗预后。梁晓龙研究员和合作者发现M1巨噬细胞来源的外泌体含有多种供体细胞的mRNA和microRNA，能够将M2型的TAMs再极化为M1表型，有效重塑肿瘤的免疫抑制微环境，从而提高放疗疗效。限制放疗疗效的主要因素包括肿瘤的乏氧微环境、放疗后肿瘤细胞快速的DNA损伤修复以及肿瘤免疫抑制微环境。研究者进一步将M1巨噬细胞分泌的外泌体（M1Exos）进行工程化改造（图1），旨在同时解决上述的三重限制因素，实现放疗增敏三部曲：（1）在M1Exos膜内侧人工表达的过氧化氢酶，可以分解肿瘤组织高表达的过氧化氢以产生氧气，有效缓解肿瘤乏氧，增强放疗引起的 DNA 损伤；（2）在M1Exos内部包载的DNA损伤修复抑制剂可以有效抑制放疗后DNA的损伤修复；（3）M1Exos的天然特性可以将M2 TAM极化为M1表型，于此同时，M1Exos 膜外侧含有人工表达的抗 PD-L1 纳米抗体，两者的共同作用可以解除CD8⁺ T细胞的免疫抑制，最终重塑肿瘤的免疫抑制微环境，较好地抑制肿瘤生长和转移。

图1 工程化M1Exos的结构示意图，过氧化氢酶（CAT）和纳米抗体（Anti-PD-L1）分别表达在外泌体膜的内侧和外侧，DNA损伤修复抑制剂（DDRi）装载在外泌体内部。

（图源：Ma XT, et al., Adv Sci, 2022）

放疗通过增加肿瘤细胞的活性氧从而损伤核酸、蛋白质等生物大分子，而工程化M1Exos能够进一步提高细胞的活性氧水平（图2A，B），较好地增加肿瘤细胞DNA双链断裂（图2C，D），从而提高细胞凋亡率（图2E，F）和克隆形成能力。工程化M1Exos通过改善乏氧和抑制DNA损伤修复在体外能够产生较好的放疗增敏效果。

图2 工程化M1Exos具有较好的体外放疗增敏效果。

（图源：Ma XT, et al., Adv Sci, 2022）

研究者分别通过小鼠肺癌皮下移植瘤模型（图3）、乳腺癌肺转移原位肿瘤模型评估了工程化M1Exos的抗肿瘤效果，发现M1型巨噬细胞来源的外泌体（M1Exos）相比于M0型巨噬细胞来源的外泌体（M0Exos）能够更好地抑制肿瘤生长，并且发现，具有三重放疗增敏机制的工程化M1Exos产生极佳的抗肿瘤效果。

图3 工程化M1Exos对于小鼠肺癌皮下移植瘤的治疗效果。

（图源：Ma XT, et al., Adv Sci, 2022）

通过分析肿瘤的免疫微环境（图4），研究者发现放疗会导致肿瘤的炎症微环境，促进淋巴细胞浸润，但也会上调肿瘤的抑制性免疫细胞（如M2型TAMs、Tregs、MDSCs等）和抑制性免疫分子（如PD-L1）。但是，M1Exos相比于M0Exos能够有效增加M1型TAMs的比例。含有抗PD-L1纳米抗体的工程化M1Exos能够进一步逆转肿瘤免疫抑制微环境，增加杀伤性CD8⁺T细胞数量，降低免疫抑制细胞的比例。

图4 工程化M1Exos能够有效逆转肿瘤免疫抑制微环境。

（图源：Ma XT, et al., Adv Sci, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

新型放疗增敏剂的研发对于提高放疗疗效、降低放疗复发和转移至关重要。本研究将工程化改造的M1型巨噬细胞分泌的外泌体开发为放疗增敏药物递送系统，通过重塑肿瘤免疫抑制微环境有效提高放疗增敏药物的治疗效果。这项研究表明特定免疫细胞分泌的外泌体能够有效激活抗肿瘤免疫反应，在恶性肿瘤的放疗增敏领域展示出广泛的应用前景。但是，本研究缺少更加深入的机制研究，M1型巨噬细胞的外泌体通过哪些具体机制促进TAMs的极化仍然有待进一步的探索。这项研究首次展示了一种使用免疫细胞来源的外泌体增强放疗的范例，展示出工程化的免疫细胞外泌体可以作为一种有效的放疗药物递送平台，因此，在未来研究中，可以进一步探索其他种类的免疫细胞外泌体对于放疗疗效的影响，开发出一类崭新的放疗增敏药物制剂。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202106031

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[1] Chandra, R. A.; Keane, F. K.; Voncken, F. E. M.; Thomas, C. R., Jr., Contemporary radiotherapy: present and future. Lancet 2021, 398 (10295), 171-184.

[2] Schaue, D.; McBride, W. H., Opportunities and challenges of radiotherapy for treating cancer. Nat Rev Clin Oncol 2015, 12 (9), 527-40.

[3] De Ruysscher, D.; Niedermann, G.; Burnet, N. G.; Siva, S.; Lee, A. W. M.; Hegi-Johnson, F., Radiotherapy toxicity. Nat Rev Dis Primers 2019, 5 (1), 13.

[4] Herrmann, I. K.; Wood, M. J. A.; Fuhrmann, G., Extracellular vesicles as a next-generation drug delivery platform. Nat Nanotechnol 2021, 16 (7), 748-759.

[5] S, E. L. A.; Mager, I.; Breakefield, X. O.; Wood, M. J., Extracellular vesicles: biology and emerging therapeutic opportunities. Nat Rev Drug Discov 2013, 12 (5), 347-57.

[6] Pitt, J. M.; Andre, F.; Amigorena, S.; Soria, J. C.; Eggermont, A.; Kroemer, G.; Zitvogel, L., Dendritic cell-derived exosomes for cancer therapy. J Clin Invest 2016, 126 (4), 1224-32.

本文完