南京大學甄敘、蔣錫群團隊《Adv. Mater.》: 光控自富集的仿生半導體聚合物納米材料用于精準腫瘤血管損傷治療
腫瘤血管損傷治療在臨床實踐中為腫瘤的治療提供了新的手段，然而血管損傷試劑（Vascular Disrupting Agents，VDAs）的脫靶效應和潛在的高劑量毒性限制了其在臨床應用中的治療效果。為了解決以上問題，南京大學甄敘、蔣錫群研究團隊報道了一種不含VDA的仿生半導體共軛聚合物納米材料(SPNP)通過兩次激光照射實現(xiàn)了較低劑量下的精準破壞腫瘤血管，從而達到優(yōu)異的抗腫瘤效果。
圖1. SPNP通過兩段光控進行精準腫瘤血管損傷治療機制示意圖。
SPNP由具有高光熱轉(zhuǎn)換性能的semiconducting polymer nanoparticles (SPN)內(nèi)核和具有靶向破損血管功能的血小板膜外殼組成。如圖1所示，光控血管靶向損傷治療（Light-driven Vascular Targeting and Disruption Therapy，LDVDT）通過四個步驟級聯(lián)進行。在全身性給藥4小時后，SPNP通過EPR效應富集到腫瘤區(qū)域，并因為時間原因處于血管周圍并未滲透到腫瘤內(nèi)部（步驟1）；在此時間點，SPNP產(chǎn)生的溫和高溫會導致腫瘤血管破損并出血（步驟2）；破損的血管會激活凝血級聯(lián)反應，自主招募血液循環(huán)中的血小板以及包覆了血小板膜的SPNP特異性富集于受傷的腫瘤血管（步驟3）。血管處自主聚集的SPNP可以顯著提高第二次激光照射的光熱效果，產(chǎn)生高溫對腫瘤血管進行精準破壞（步驟4），從而有效殺傷實體腫瘤，抑制肺轉(zhuǎn)移及脾腫大，并逆轉(zhuǎn)腫瘤免疫抑制微環(huán)境。
圖2. 光控SPNP腫瘤血管自募集行為的機理研究。
作者使用雙側(cè)腫瘤模型小鼠驗證SPNP的自增強損傷血管靶向能力，在全身給藥4小時后對右側(cè)腫瘤細胞進行第一次激光照射導致腫瘤血管損傷，左側(cè)腫瘤不做處理，小動物活體成像結(jié)果顯示在給藥后24小時SPNP在腫瘤中的富集量達到最大值，且SPNP在血管受損的腫瘤中的富集量是未處理腫瘤中的1.4倍，表明SPNP可以自主富集靶向到受損的腫瘤血管。通過凝血相關生物標志物的免疫熒光染色對這種自增強富集行為的機理進行驗證表明，腫瘤血管出血損傷導致凝血級聯(lián)反應激活，外周血中的vWF與受損腫瘤血管結(jié)合，募集外周血中的SPNP向損傷血管聚集，隨后纖維蛋白原在損傷部位水解為纖維蛋白對聚集的SPNP進行固定。進一步對腫瘤組織切片中SPNP與血管的空間位置進行分析，結(jié)果顯示自增強富集的SPNP主要分布在腫瘤血管周圍，表明SPNP可以通過凝血級聯(lián)過程靶向富集到受損的腫瘤血管。
圖3. （A）4T1荷瘤小鼠在光照時的平均腫瘤溫度。（B）經(jīng)過不同處理后腫瘤的生長曲線。（C）不同處理20天后腫瘤部位的Caspase-3免疫熒光染色。（D-H）不同處理后血管相關生物標志物的染色圖片和定量分析。
基于SPNP自主靶向受損腫瘤血管的能力，作者使用4T1荷瘤小鼠對基于LDVDT策略的腫瘤血管療法效果進行評估，在注射SPNP 4小時后進行第一次激光照射，在給藥后24小時對腫瘤進行第二次激光照射，由于SPNP自主靶向受損腫瘤血管的能力，使得在給藥24小時后腫瘤富集能力達到最大，顯著提高第二次激光照射的光熱效果，產(chǎn)生高溫對腫瘤血管進行精準損傷，實現(xiàn)了優(yōu)異的抗腫瘤效果。通過對腫瘤組織中的血管相關生物標志物進行免疫組化和免疫熒光染色實驗表明LDVDT策略可以完全破壞腫瘤血管，并有效抑制血管生成和粘附相關分子VEGF和VCAM-1的表達。
圖4. 光控血管靶向損傷療法抑制脾腫大和逆轉(zhuǎn)免疫抑制腫瘤微環(huán)境
在實驗中，發(fā)現(xiàn)LDVDT策略可以顯著抑制了脾腫大現(xiàn)象的發(fā)生，治療后的小鼠脾臟重量與健康小鼠相近，但顯著低于發(fā)生其他對照組小鼠。對不同處理小鼠的脾臟進行H&E組織切片發(fā)現(xiàn)LDVDT顯著抑制了脾腫大小鼠脾臟的紅髓增生現(xiàn)象。有研究表明，脾臟紅髓增生代表髓外造血的發(fā)生。作者進一步對此現(xiàn)象可能的機制進行了研究，通過評估小鼠外周血中的紅細胞生成素（Erythrocytes，EPO）、血小板生成（Thrombopoietin，TPO）和粒細胞集落刺激因子（Granulocyte Colony-stimulating factor，G-CSF）的表達水平，發(fā)現(xiàn)各組小鼠紅細胞生成素和血小板生成素在外周血中的表達水平?jīng)]有變化，而荷瘤小鼠外周血中G-CSF的濃度在經(jīng)過LDVDT策略治療后顯著降低，且與健康小鼠表達水平一致，表明腫瘤來源的G-CSF可能是導致髓外造血和脾腫大現(xiàn)象的關鍵因子。G-CSF可以誘導髓系細胞向免疫抑制和促進腫瘤功能的表型擴增和分化。對不同處理小鼠脾臟和腫瘤中的MDSCs進行分析可知LDVDT策略顯著降低了脾臟和腫瘤中MDSCs細胞的數(shù)量。為了進一步驗證LDVDT策略對腫瘤免疫抑制腫瘤微環(huán)境的逆轉(zhuǎn)作用，作者通過免疫熒光染色分析免疫抑制腫瘤微環(huán)境生物標志物精氨酸酶1和誘導型一氧化氮合酶在腫瘤組織中的表達水平，相比于其他治療，LDVDT策略顯著降低了腫瘤中ARG1和iNOS的表達量。表明SPNP介導的LDVDT策略有效逆轉(zhuǎn)了免疫抑制的腫瘤微環(huán)境，為探索腫瘤血管損傷治療開辟了新的免疫治療方向。
該研究成果以“Light-driven self-recruitment of biomimetic semiconducting polymer nanoparticles for precise tumor vascular disruption”為題發(fā)表在Advanced Materials。論文第一作者為南京大學博士生李昊澤，通訊作者為南京大學甄敘研究員和蔣錫群教授。斯坦福大學姜語嫣助理研究員在本工作的實驗結(jié)果討論、文章修改方面給予了大力支持與幫助。本研究工作得到國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學基金，中央高；究蒲谢鸬软椖抠Y助。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202210920
