Adv Sci︱吴锦慧团队利用药物分子组装内源性铁激活肿瘤相关巨噬细胞
撰文︱刘洋，王宇辰，吴锦慧
责编︱方以一，王思珍
编辑︱方以一
铁代谢异常与肿瘤的发生发展存在密切的联系[1]。铁可以催化产生氧化自由基加速DNA突变，同时肿瘤细胞会摄取更多的铁来维持其增殖。除了肿瘤细胞外，实体肿瘤内还浸润了大量具有免疫抑制效应的肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophage，TAM），并已经成为肿瘤免疫治疗药物开发的一个重要靶点。有趣的是，TAM与高蓄积铁的肿瘤细胞相反，其胞内却呈现出低铁的状态，并高表达铁外排蛋白等相关蛋白[2]。
2022年9月8日，南京大学医学院吴锦慧教授课题组在Advanced Science上发表了题为“Hijacking Self-Assembly to Establish Intracellular Functional Nanoparticles”的研究。该研究基于巨噬细胞吞噬红细胞并在胞内被降解为铁的规律，通过联合肿瘤血管破坏剂和双膦酸盐，使得肿瘤相关巨噬细胞内部沉积红细胞来源的铁，这可以重塑巨噬细胞的抗肿瘤免疫应答并抑制肿瘤生长。
已有研究发现铁纳米粒具有激活巨噬细胞抗肿瘤的能力[3-4]，但是如何规避肿瘤细胞对于铁的截留摄取、巨噬细胞的铁外排以及正常组织的铁过载，是其能否成功应用的关键。纳米药物的肿瘤靶向递送仍然方兴未艾，基于增强通透性和保留效应（enhanced permeability and retention effect，EPR）的被动靶向策略在系统性给药后在肿瘤部位的蓄积十分有限[5-6]。与无生命的纳米粒相比，许多具有简单纳米结构的病毒可以通过“劫持”宿主细胞的基因组而实现自身复制[7-8]。受此启发，该研究利用系统性注射的小分子药物捕捉细胞的内源物质并反应生成纳米粒以实现TAM靶向。
该团队先前在PNAS的研究成果证实肿瘤组织可以产生选择性出血。在该研究中，确证破坏肿瘤血管稳态会引起肿瘤出血，导致大量红细胞浸润到肿瘤组织（图1a,c），皮下瘤则表现为肿瘤组织变黑（图1b）。进一步发现随着时间的推移，浸润的红细胞会特异性被TAM吞噬（图1d），皮下瘤的“变黑”现象消失。此外，巨噬细胞通过上调血红素加氧酶（heme oxygenase，HO-1）将红细胞降解为Fe2+等代谢产物。
图1 诱导肿瘤血管破坏导致TAM降解浸润的红细胞
（图源：Liu Y, et al., Adv Sci, 2022）
胞质内的Fe2+是不稳定的，为了克服TAM对胞内铁的外排，该研究筛选发现侧链为有机碳链的双膦酸盐可以快速沉积Fe2+并自组装形成纳米粒。这种自组装现象是选择性的，在相同浓度下，只有Fe2+可以与双膦酸盐形成纳米粒（图2）。体内实验表明，大多数TAM过表达铁代谢相关蛋白，例如转铁蛋白和ferroportin。白介素4（interleukin-4，IL-4）和IL-10处理后形成的抗炎巨噬细胞的胞内铁浓度显着降低，而双膦酸盐处理的巨噬细胞在吞噬红细胞后可以沉积更多的Fe2+并形成胞内纳米粒。
图2 双膦酸盐选择性地与Fe2+配位产生纳米粒
（图源：Liu Y, et al., Adv Sci, 2022）
该研究进一步研究发现这种胞内自组装纳米粒可以持续性应激巨噬细胞中的线粒体，并进一步激活巨噬细胞，包括炎症小体NLRP3、IL-1β、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor，TNF -α）的上调等，同时CD86等表面标志物的表达也显著上调。为了探索通过体内劫持自组装产生的胞内纳米粒的抗肿瘤潜力，通过抗血小板抗体R300和血管破坏剂（combretastatin A-4-phosphate，CA4P）诱导肿瘤出血后，再使用双膦酸盐治疗小鼠，可以显着抑制肿瘤的生长（图3）。T细胞能否浸润肿瘤是其发挥功能的关键之一，联合使用血管破坏剂和双膦酸盐治疗同样可以招募更多T细胞浸润肿瘤。
图3 劫持自组装策略抑制荷瘤小鼠肿瘤生长
（图源：Liu Y, et al., Adv Sci, 2022）
图4 双膦酸盐劫持红细胞来源的铁并组装成胞内纳米粒以应激线粒体
（图源：Liu Y, et al., Adv Sci, 2022）
该研究通过系统性注射的小分子药物捕获红细胞降解产生的铁，实现了TAM的靶向激活。这种仿生合成策略为纳米药物靶向提供了新思路。与纳米粒的各种复杂修饰相比，劫持自组装策略操作简单，临床可行性更高。该策略还表明，小分子药物可以通过与内源性物质组装成纳米颗粒后发挥作用，这可以为小分子药物以及纳米药物的开发提供新的方向。
第一作者：刘洋（左一）、王宇辰（左二），通讯作者：吴锦慧（右一）
（照片提供自：吴锦慧团队）
通讯作者简介（上下滑动阅读）
吴锦慧，南京大学医学院教授、博士生导师，国家级青年人才，江苏省杰出青年，江苏省333工程高层次人才和国家重点研发计划课题负责人；曾在Harvard-MIT健康科技研究中心访学。主要研究方向为微纳递送系统与细菌疫苗，在Nature BME、Nature Commun、PNAS等刊物发表论文90余篇，论文引用4000多次。
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本文完