肿瘤放疗增敏+免疫治疗:基于纳米AgS的多功能近红外光热控释一氧化氮体系

Near-Infrared Light-Responsive Nitric Oxide Delivery Platform for Enhanced Radioimmunotherapy

Xuanfang Zhou, Zhouqi Meng*, Jialin She, Yaojia Zhang, Xuan Yi, Hailin Zhou, Jing Zhong, Ziliang Dong, Xiao Han, Muchao Chen, Qin Fan, kai yang, Chao Wang*
Nano‑Micro Lett.(2020) 12:100
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00431-3
本文亮点

1. 合成的基于硫化银的近红外响应的多功能癌症治疗体系实现一氧化氮控制释放。
2. 利用硫化银光热效应,实现了一氧化氮在肿瘤部位释放,同时借助一氧化氮带来的放疗曾敏和免疫增强效应,实现了对肿瘤的高效放疗-免疫治疗联合治疗
3. 该体系能够通过使用不同的载体蛋白实现更广或更加特异性的应用
研究背景

癌症的放疗增敏能够有效减少射线带来的毒副作用,为了缓解肿瘤乏氧导致的放疗抑制,引入氧气、一氧化氮等气体来增敏放疗,这一过程的实现依赖于乏氧环境的改善和有效的一氧化氮递送。与此同时,肿瘤免疫治疗给患者带来巨大的希望,然而临床只有少部分患者可以受益,如何增强肿瘤免疫治疗响应率也是临床面临的挑战之一。本课题设计了一种近红外光热控释一氧化氮的体系,递送一氧化氮到达肿瘤部位,同时借助一氧化氮带来的放疗和免疫双重增强效应,实现了对肿瘤的高效放疗-免疫治疗联合治疗,有效抑制肿瘤生长。此外,该纳米颗粒使用蛋白质作为载体,能够通过改变蛋白质的种类得到更加特异性的多效增强放疗-免疫治疗体系。
内容简介

苏州大学功能纳米与软物质研究院汪超教授团队开发了一种基于蛋白质的近红外光激发的放疗-免疫治疗增敏体系。肿瘤的传统治疗方法中放疗扮演着重要的角色,癌症的放疗增敏能够有效减少射线带来的毒副作用,一氧化氮等气体类放疗增敏剂被用于放疗曾敏。与此同时,一氧化氮和放疗也能激活肿瘤免疫,从而增效如免疫检查点阻断疗法等肿瘤免疫治疗。我们希望将两者结合起来,并通过一氧化氮这一对两者都有增益的介质,实现更强效的肿瘤抑制。

这一体系选取了蛋白质这一生物相容性极好、来源广泛、又具有特异性的物质作为载体,通过对蛋白质表面基团的修饰,引入一氧化氮供体基团(-SNO)该基团具有热响应性及光响应性,高温时会释放一氧化氮。为了提高一氧化氮释放效率,采用生物矿化的方法在蛋白质空腔中合成硫化银量子点,利用硫化银量子点的光热性能,释放一氧化氮。

该纳米颗粒通过被动靶向富集到肿瘤部位,808 nm波长激光照射引起光热从而导致一氧化氮的释放,进一步的,一氧化氮增强放疗的效果,成功消除NOD小鼠皮下4T1肿瘤。随后,我们使用模式抗原OVA作为载体,合成的Ag2S@OVA-SNO纳米颗粒能够有效增强小鼠的抗肿瘤免疫反应。该体系能够实现一氧化氮的有效控释,增敏肿瘤放疗-免疫治疗,并通过改变蛋白质载体,实现特异性的免疫增强。

图文导读

Ag2S@BSA-SNO纳米颗粒的合成与基本表征

首先,采用生物矿化的方法合成Ag2S@BSA纳米颗粒,参考Yang等人的工作选取55℃下合成的Ag2S@BSA进行下一步的制备。使用Traut’s reagent将蛋白进行巯基化修饰,再与亚硝基叔丁酯进一步反应引入-SNO功能基团,作为一氧化氮供体。对合成过程中的每一步产物进行基本表征,最终产物的粒径主要分布在50 nm左右,该体系在近红外波段有较平稳的吸收。

图1. a)Ag2S@BSA-SNO的合成示意图;b,c)Ag2S@BSA和Ag2S@BSA-SNO的TEM图及溶液照片;d)Ag2S@BSA-SNO合成过程中中间产物及最终产物的粒径分布;e)含有Ag2S的三种纳米颗粒均有一致的紫外-可见光吸收图谱;f)Ag2S@BSA-SNO纳米颗粒的元素分布。

II Ag2S@BSA-SNO纳米颗粒的性能测试及体外实验

首先测试了Ag2S@BSA-SNO的光热转换情况,与文献报道一致,含有Ag2S的纳米颗粒在808 nm波长激光照射下升温,其温度变化随着浓度的升高而增加,并具有一定的光热稳定性。此外,该光热材料还具有光声信号,在730 nm波长下具有与浓度相关的广生信号强度变化,可用于活体内材料富集的监测。不同温度下的一氧化氮释放和光热控释的一氧化氮释放情况也通过试剂盒进行了检测,37℃下该体系尚能保持稳定,但是该纳米颗粒能够在激光引发的光热作用下有效释放一氧化氮。细胞克隆实验结果证明了一氧化氮的释放能够增敏放疗,大大降低肿瘤细胞的存活率。通过DNA染色实验,证明了该过程大概率由NO阻碍 DNA损伤修复引起。

图2. 材料的特性表征。a)808 nm波长激光照射下Ag2S@BSA-SNO溶液和PBS溶液的红外热成像;b)不同浓度的Ag2S@BSA-SNO溶液在相同功率的808 nm波长激光照射下的温度变化曲线;c)不同浓度的Ag2S@BSA-SNO溶液的紫外-可见光吸收图谱;d)多次激光开/关循环引起的Ag2S@BSA-SNO溶液温度变化曲线;e,f)Ag2S@BSA-SNO的光声信号及其与浓度的关系;g)不同温度下一氧化氮的释放情况;h)多次激光刺激引起NO的阶段性释放;i)细胞克隆统计结果,图例同图j;j,k)DNA损伤染色实验的定量及定性数据。

III Ag2S@BSA-SNO体系的体内富集、升温和抗肿瘤疗效

根据该体系具有光声信号的性质,采用光声活体成像的方式监测了荷瘤小鼠经尾静脉注射Ag2S@BSA-SNO后肿瘤部位的信号变化,通过与空白组的对比,确定该材料在4 h左右富集在肿瘤部位并有较长时间的滞留。富集有Ag2S@BSA-SNO的肿瘤在808 nm激光器的照射下能够有效升温,达到NO释放的温度条件。
确定材料的富集和活体内升温情况后,对皮下接种4T1肿瘤的NOD鼠进行治疗,结果表明,实验组有效消灭了肿瘤并得到60%的长期存活率,与对照组有明显差异,治疗期间小鼠体重平稳,说明治疗过程对小鼠健康影响较小。

图3.材料的富集和活体上肿瘤的放疗增敏。a,b)肿瘤内的光声信号图及强度变化曲线;c,d)808 nm激光器照射尾静脉注射不同材料后的肿瘤部位,得到的红外热成像图及温度变化曲线;e,f,g)肿瘤治疗实验中肿瘤生长曲线,存活率统计及体重变化;h)不同组别处理后未完全消失的肿瘤部位切片HE染色图。

IV Ag2S@OVA-SNO体系的肿瘤放疗-免疫治疗联合治疗

将原Ag2S@BSA-SNO体系中BSA更换为模式抗原OVA,成功合成Ag2S@OVA-SNO纳米颗粒,对小鼠B16-OVA肿瘤模型进行治疗,并评价其抗肿瘤免疫学相关指标,NO的有效释放确实增强了免疫治疗效果,增加了肿瘤部位CTLs的浸润,促进巨噬细胞向M1型极化,血清中IFN-γ的含量增加,体现了该体系在肿瘤特异性免疫治疗中的潜力。

图4. Ag2S@OVA-SNO的增强肿瘤放疗-免疫治疗联合治疗的疗效及评价。a)单只小鼠肿瘤生长曲线;b)不同组别的小鼠肿瘤生长曲线统计图;c)小鼠存活率统计;d)小鼠体重记录;e)肿瘤部位切片,染色CD8+ T细胞,联合治疗组的CD8+信号明显高于对照组;f,g)不同组别小鼠肿瘤组织中CTLs的典型流式图及统计图;h)不同组别小鼠血清中IFN-γ水平;i,j)流式分析肿瘤部位巨噬细胞分型。

作者简介

孟周琪 博士后(2017-2019)

本文通讯作者

苏州大学功能纳米与软物质研究院

主要研究领域
刺激响应性高分子水凝胶材料在肿瘤免疫治疗中的应用,生物纳米材料在脑部疾病治疗中的应用。
主要研究成果
在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Nano Lett.等多个高影响力杂志上以第一作者发表多篇研究成果,获得授权多项中国发明专利,博士后期间获得国家自然科学基金青年基金项目。

汪超 教授

本文通讯作者

苏州大学功能纳米与软物质研究院

主要研究领域
生物材料,免疫工程,肿瘤免疫治疗
主要研究成果
主要在生物材与免疫工程领域开展研究工作,共发表SCI论文90多篇,其中第一/通讯作者论文35篇,发表于Sci. Transl. Med., Nat. Biomed. Eng., Sci. adv., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., ACS Nano, Biomaterials等知名期刊,H因子54。连续两年(2018-2019)入选科睿唯安“全球高被引科学家”名录(材料科学)、入选江苏省特聘教授 (2018)、江苏省双创人才 (2019)等。
课题组主页:
http://web.suda.edu.cn/cwang/
撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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