苏州大学Nano Lett.报道: 铁纳米粒子用于低功率局部磁热治疗结合免疫检查点阻断实现全身抗肿瘤治疗

【背景介绍】

磁热疗法（MHT）是一种利用磁性纳米粒子在强交变磁场（AMF）下产生大量热量杀死肿瘤的技术。对比光热疗法，由于AMF具有优异的组织穿透能力，所以MHT可以杀死各种器官中的深部肿瘤。虽然MHT作为局部治疗实体瘤的微创方法在临床上进行了测试，但是目前的MHT还存在许多局限性。此外，MHT治疗难以杀死的转移性肿瘤。虽然纯铁纳米颗粒（FeNPs）可能是有效的MHT试剂，但是铁容易在水溶液中被氧化。尽管已有很多报道为利用无机的壳涂覆铁芯来制造用于各种生物医学应用的含铁的核壳纳米颗粒，但是很少报道使用纯FeNPs进行体内MHT消融肿瘤。其中，免疫检查点阻断（ICB）等癌症免疫疗法通过激活患者自身的免疫系统来杀死肿瘤细胞。然而，尚未报道MHT疗法与ICB免疫疗法的组合。

【成果简介】

最近，苏州大学的刘庄教授（通讯作者）课题组报道了一种通过化学还原方法制备纯铁纳米颗粒（FeNPs），利用聚乙二醇（PEG）/多巴胺（DA）共接枝聚合物进行官能化，得到PEG化FeNPs。这种生物相容性聚合物修饰的FeNPs具有良好的水溶液稳定性，且是一种高效的MHT试剂，在低功率AFM下就能产生足够的热量。然后，通过局部或静脉注射FeNPs，在局部施加肿瘤聚焦恒定磁场的帮助下，增强这些纳米颗粒在肿瘤处的累积，从而实现对肿瘤的有效MHT消融。作者进一步证明基于FeNPs的MHT与局部注射纳米佐剂和抗细胞毒性T淋巴细胞的抗原-4（抗-CTLA4）检查点阻断相结合，可产生抑制肿瘤转移的全身治疗反应。在联合应用MHT免疫治疗后，还可以观察到一种强大的免疫记忆效应，以防止肿瘤复发。该研究不仅发现PEG表面修饰的FeNPs可以作为一种高效的MHT药物，而且还提出了将MHT与ICB免疫治疗相结合以在局部MHT治疗后实现长期的全身治疗反应而提出新的策略。研究成果以题为“Iron Nanoparticles for Low-Power Local Magnetic Hyperthermia in Combination with Immune Checkpoint Blockade for Systemic Antitumor Therapy”发布在著名期刊Nano Lett.上。该论文第一作者为刘庄教授课题组博士生巢宇。

【图文解读】

图一、PRG化FeNPs的制备和表征
（a）PEG化FeNPs的合成和表面修饰的示意图；

（b）PEG化FeNPs的TEM图像；

（c）FeNPs和PEG化FeNPs在T=300 K时相应的磁滞回线；

（d）FeNPs、IONC、CIONP和IONP的温度依赖性磁化；

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

（f, g）FeNPs、IONC、CIONP和IONP的实时体内IR热成像和温度上升曲线。

图二、体内磁热疗法（MHT）
（a）局部注射FeNPs后体内MHT的示意图；

（b）磁流交变机的照片；

（c, d）AMF下小鼠的实时体内IR热成像（c）和温度上升曲线（d）；

（e, f）各种处理后不同组小鼠的肿瘤生长曲线（e）和存活天数（f）；

（g）在磁性肿瘤靶向的帮助下，全身注射后体内MHT的示意图；

（h）通过静脉内注射Cy5.5标记的FeNPs的光学荧光成像；

（i）静脉注射后小鼠中Cy5.5标记的FeNPs的血液循环曲线图；

（j）FeNPs在小鼠中的生物分布特征；

（k, l）小鼠的实时体内IR热成像和肿瘤温度上升曲线；

（m, n）各种处理后的肿瘤生长曲线和存活百分比。

图三、体内MHT免疫疗法实现CT26肿瘤模型的远隔效应
（a）MHT+CTLA4阻断以抑制远处肿瘤生长的示意图；

（b, c）CT26肿瘤模型在各种治疗后原发性和远程的肿瘤生长曲线；

（d）CT26肿瘤模型在各种治疗后不同肿瘤组的存活百分比；

（e）流式细胞图显示复发性肿瘤中不同组的T细胞；

（f）流式细胞图显示在各种处理后，复发性肿瘤中CD4+FoxP+T细胞的百分比；

（g, h）肿瘤内肿瘤浸润性CD8+杀伤T细胞和CD4 + FoxP3 +调控T细胞的比例；

（i）CD8+CTL在第一次去除肿瘤的各种处理后，复发性肿瘤中的Tregs比率；

（j）不同处理后第1、5和9天分离的小鼠血清中的细胞因子水平。

图四、免疫记忆效应
（a）评估MHT免疫疗法后免疫记忆效应的实验设计；

（b, c）在各种处理后不同组的肿瘤生长曲线；

（d）在各种处理后不同组的存活百分比；

（e）第40天通过流式细胞仪分析脾脏中的效应记忆T细胞的比例；

（f）用复发性肿瘤再次攻击小鼠后，第5天分离小鼠血清中的细胞因子水平；

（g）由基于FeNP/PR的MHT与检查点阻断组合诱导的抗肿瘤免疫应答的机制。

图五、MHT+CTLA4阻断原位小鼠癌症模型
（a）MHT+CTLA4阻断以抑制原位B16黑素瘤肿瘤模型中的远处肿瘤的示意图；

（b, c）在各种处理后原发性和远程肿瘤的肿瘤生长曲线；

（d）在各种处理后不同肿瘤组的存活百分比；

（e）MHT+CTLA4阻断以抑制原位4T1乳腺肿瘤模型中的自发性肿瘤转移的示意图；

（f）体内生物发光图像以跟踪各种处理后小鼠中转移4T1细胞的扩散和生长以消除其原发性肿瘤

（g）在各种治疗后携带具有自发转移的原位4T1肿瘤的小鼠的存活表明消除其原发性乳腺肿瘤。

【小结】

综上所述，作者开发了PEG化FeNPs作为一种高效的MHT药物，使用便携式设备在低功率AMF下杀死肿瘤。该研究首次证实了MHT与免疫治疗的结合。这种局部肿瘤消融后的MHT免疫治疗能够触发全身肿瘤特异性免疫反应，攻击全身扩散的转移性肿瘤，还能产生长期的免疫记忆，以防止肿瘤的复发。作者的研究发现可能会扩展MHT在晚期癌症远端转移患者的临床治疗中的应用。由于铁是体内丰富的元素，PEG化FeNPs可以很容易地制备和储存，对于MHT消融治疗或针对癌症的联合MHT免疫治疗在临床转化中都具有巨大的潜力。

文献链接：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）

通讯作者简介

刘庄教授为国家杰青、长江学者、英国皇家化学会(RSC) Fellow、美国医学与生物工程学会(AIMBE) Fellow；发表学术论文280余篇，总SCI引用4万余次，H因子106；于2015-2018年连续入选“全球高被引科学家”，任生物材料领域国际著名期刊Biomaterials副主编。

在肿瘤免疫治疗领域，刘庄教授团队自2014年起基于纳米生物材料已经发展了一系列光热治疗、光动力治疗、放射治疗等局部肿瘤疗法介导的免疫治疗策略，其核心思想是在局部治疗杀灭原位肿瘤后通过免疫刺激产生“肿瘤特异性疫苗”，并在免疫检查点阻断疗法的帮助下放大抗肿瘤免疫反应，从而抑制肿瘤转移与复发。相关代表性工作列举如下：

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).

课题组网页：http://nano.suda.edu.cn/lz/

本文由CQR编译。

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