癌癥疫苗因可以引發(fā)腫瘤特異性的免疫應(yīng)答和長期的免疫記憶,近年來備受關(guān)注。但也面臨著抗原免疫原性低和腫瘤異質(zhì)性等問題,而造成抗腫瘤免疫效果有限,導(dǎo)致腫瘤治療不徹底,容易復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。雖然化療、放療或光療等能引發(fā)機體產(chǎn)生自體腫瘤抗原,克服腫瘤異質(zhì)性問題,但由于抗原體內(nèi)存在時間有限,而無法引發(fā)機體強的持續(xù)的免疫反應(yīng)。
針對以上問題,華中科技大學(xué)王芹教授課題組與朱艷紅教授合作,基于仿貽貝強黏附性的兒茶酚基團,構(gòu)建負載光熱試劑MnO2納米粒的溫敏納米凝膠(MnO2@PND),用于瘤內(nèi)注射后原位形成凝膠捕獲光熱效應(yīng)產(chǎn)生的腫瘤衍生蛋白抗原(TDPAs),形成“抗原庫”,充當自體腫瘤疫苗,持續(xù)釋放抗原,以增強抗腫瘤免疫反應(yīng)。
該“抗原庫”的形成機制及引發(fā)的抗腫瘤免疫應(yīng)答示意圖如圖1所示。較高濃度MnO2@PND納米凝膠分散體經(jīng)瘤內(nèi)注射后,原位形成宏觀凝膠。在近紅外光照射下,具有良好光熱效應(yīng)的MnO2納米粒將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮,引起腫瘤細胞發(fā)生免疫原性死亡,由此釋放大量自體腫瘤衍生蛋白抗原,作為免疫刺激物,避免了腫瘤異質(zhì)性問題。這些抗原被黏附性水凝膠捕獲后,可避免被機體快速清除;捕獲了抗原的水凝膠原位形成“抗原庫”,持續(xù)釋放抗原,招募更多的DCs來攝取抗原,并刺激T細胞轉(zhuǎn)變成效應(yīng)T細胞,由此激發(fā)機體強烈而持久的抗腫瘤免疫反應(yīng)。
圖1 “抗原庫”形成機制及由此引發(fā)的抗腫瘤免疫應(yīng)答示意圖
該MnO2@PND溫敏納米凝膠首先由溫敏性單體N-異丙基丙烯酰胺和含有兒茶酚結(jié)構(gòu)的3-甲基丙烯酰多巴胺經(jīng)自由基聚合而形成PND納米凝膠,再通過原位礦化法負載上MnO2納米粒而得到(圖2a)。形成的PND和MnO2@PND的水化直徑均約為200 nm(圖2b-2e),MnO2@PND 結(jié)構(gòu)采用紅外、XPS和XRD等進行了確認,其低的臨界溶解溫度為29 °C(圖2f, 2g)。由此得到的濃度為100 mg mL-1 的MnO2@PND水分散體在室溫下為可流動的溶膠,在體溫下因疏水作用增強而形成宏觀凝膠(圖2h, 2i)。
圖2 MnO2@PND納米凝膠的制備路線圖與基本特性
a. MnO2@PND納米凝膠的制備路線示意圖;b. PND納米凝膠的水合粒徑分布;c. PND納米凝膠的TEM照片;d. MnO2@PND納米凝膠的水合粒徑分布;e. MnO2@PND納米凝膠的TEM照片;f. MnO2@PND中Mn的X射線電子能譜分析圖譜;g. MnO2@PND納米凝膠的溫敏性;h. 濃度對MnO2@PND納米凝膠分散體溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變溫度的影響;i. MnO2@PND納米凝膠分散體的儲能模量G′和損耗模量G′′隨溫度的變化。
MnO2@PND納米凝膠以及由此形成的宏觀水凝膠因兒茶酚結(jié)構(gòu)的存在而對模型蛋白和TDPAs均有良好的吸附性(圖3a-e)。MnO2@PND水凝膠對含有TDPAs的蛋白吸附量為不含兒茶酚基團的凝膠(MnO2@PNI)的2倍以上。捕獲了TDPAs的凝膠皮下注射后可招募更多的DCs匯集到注射點附近(圖3f,3g),并刺激更多的DCs成熟(圖3h,3i)。
圖3 體外MnO2@PND的“抗原捕獲”及免疫刺激作用
a. 形成的MnO2@PND水凝膠對胎牛血清中蛋白的吸附比例;b. MnO2@PND納米凝膠粒徑在與腫瘤細胞裂解液孵育前后的變化;c. 腫瘤細胞裂解液孵育前后MnO2@PND納米凝膠Zeta電位的變化;d. 捕獲的腫瘤裂解液中總蛋白的含量;e. 捕獲后細胞裂解液上清中HMGB1的濃度;f. 捕獲抗原的MnO2@PND體內(nèi)注射5天后召集DCs免疫熒光代表圖;g. 體內(nèi)召集DCs免疫熒光強度統(tǒng)計圖;h. 捕獲抗原的MnO2@PND體外促進DCs成熟流式細胞代表圖;i. 體外促進DCs成熟流式細胞統(tǒng)計圖.
如圖4a,對小鼠4T1乳腺癌皮下瘤進行治療。結(jié)果表明,瘤內(nèi)注射MnO2@PND水凝膠并結(jié)合NIR光熱治療后,可使原發(fā)腫瘤在治療后第4天幾乎完全消除且不復(fù)發(fā)(圖4b-4d),并可有效激活機體的抗腫瘤免疫應(yīng)答(3e-3h)。
圖4 原發(fā)瘤治療效果與免疫應(yīng)答
a. 原發(fā)瘤治療過程示意圖;b. 腫瘤生長曲線;c. 不同時間點各組小鼠代表性照片;d. 腫瘤照片(第14天);e. 治療5天后腫瘤引流淋巴結(jié)中成熟DCs流式細胞代表性圖片及f. 成熟DCs占比流式統(tǒng)計圖;g. 治療14天后血清中的干擾素-γ(IFN-γ)水平和h. 血清中的腫瘤壞死因子(TNF-α)水平.
這種可注射黏附性水凝膠經(jīng)瘤內(nèi)注射,在NIR激光照射捕獲了自體腫瘤抗原后,可在腫瘤部位存在長達14天以上,由此激發(fā)持久而強烈的抗腫瘤免疫反應(yīng),可使機體在未使用任何免疫佐劑或免疫檢查點抑制劑的情況下,仍能顯著抑制遠端腫瘤和再次接種腫瘤的生長。如圖5所示,荷瘤鼠被治療后第40天,在對側(cè)皮下再次接種腫瘤細胞,相較于利用手術(shù)切除和非抗原捕獲凝膠光熱治療的小鼠,基于MnO2@PND光熱治愈的小鼠的再接種瘤被顯著抑制(圖5b-5d),這可歸因于小鼠體內(nèi)產(chǎn)生了較多的效應(yīng)記憶T細胞(圖5e,5f)和較高水平的抗腫瘤細胞因子(圖5g-5j)。
圖5 再次接種種瘤治療效果
a. 再次接種腫瘤治療過程示意圖;b. 再種瘤腫瘤生長曲線;c. 不同時間點各組小鼠代表性照片;d. 腫瘤照片(第60天);e. 首次治療40天后脾臟中效應(yīng)記憶T細胞流式細胞代表圖;f. 根據(jù)流式細胞圖統(tǒng)計的效應(yīng)記憶T細胞百分含量;g. 血清中的干擾素-γ(IFN-γ)水平(第30天);h.血清中的腫瘤壞死因子(TNF-α)水平(第30天);i. 血清中的干擾素-γ(IFN-γ)水平(第45天);j. 血清中的腫瘤壞死因子(TNF-α)水平(第45天).
以上相關(guān)成果以 “Injectable Adhesive Hydrogel as Photothermal‐Derived Antigen Reservoir for Enhanced Anti‐Tumor Immune”發(fā)表在Advanced Functional Materials上。論文的第一作者為華中科技化學(xué)與化工學(xué)院博士生樊滿,華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王芹教授與生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院朱艷紅教授為共同通訊作者。
論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202010587
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