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

Xuanfang Zhou, ZhouqiMeng*, Jialin She, Yaojia Zhang, Xuan Yi, Hailin Zhou, Jing Zhong, ZilianETong, Xiao Han, Muchao Chen, Qin Fan, kai yang,Chao Wang*Nano?ETro Lett.(2020) 12:100

本文亮點(diǎn)

1.合成的基于硫化銀的近紅外響應(yīng)的多功能癌癥治療體系實(shí)現(xiàn)一氧化氮控制釋放。2.利用硫化銀光熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了一氧化氮在腫瘤部位釋放，同時(shí)借助一氧化氮帶來(lái)的放療曾敏和免疫增強(qiáng)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)腫瘤的高效放療-免疫治療聯(lián)合治療。3.該體系能夠通過(guò)使用不同的載體蛋白實(shí)現(xiàn)更廣或更加特異性的應(yīng)用。研究背景

癌癥的放療增敏能夠有效減少射線帶來(lái)的毒副作用，為了緩解腫瘤乏氧導(dǎo)致的放療抑制，引入氧氣、一氧化氮等氣體來(lái)增敏放療，這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于乏氧環(huán)境的改善和有效的一氧化氮遞送。與此同時(shí)，腫瘤免疫治療給患者帶來(lái)巨大的希望，然而臨床只有少部分患者可以受益，如何增強(qiáng)腫瘤免疫治療響應(yīng)率也是臨床面臨的挑戰(zhàn)之一。本課題設(shè)計(jì)了一種近紅外光熱控釋一氧化氮的體系，遞送一氧化氮到達(dá)腫瘤部位，同時(shí)借助一氧化氮帶來(lái)的放療和免疫雙重增強(qiáng)效應(yīng)一氧化氮含量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)腫瘤的高效放療-免疫治療聯(lián)合治療，有效抑制腫瘤生長(zhǎng)。此外，該納米顆粒使用蛋白質(zhì)作為載體，能夠通過(guò)改變蛋白質(zhì)的種類(lèi)得到更加特異性的多效增強(qiáng)放療-免疫治療體系。內(nèi)容簡(jiǎn)介

蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院汪超教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于蛋白質(zhì)的近紅外光激發(fā)的放療-免疫治療增敏體系。腫瘤的傳統(tǒng)治療方法中放療扮演著重要的角色，癌癥的放療增敏能夠有效減少射線帶來(lái)的毒副作用，一氧化氮等氣體類(lèi)放療增敏劑被用于放療曾敏。與此同時(shí)，一氧化氮和放療也能激活腫瘤免疫，從而增效如免疫檢查點(diǎn)阻斷療法等腫瘤免疫治療。我們希望將兩者結(jié)合起來(lái)，并通過(guò)一氧化氮這一對(duì)兩者都有增益的介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)效的腫瘤抑制。

這一體系選取了蛋白質(zhì)這一生物相容性極好、來(lái)源廣泛、又具有特異性的物質(zhì)作為載體，通過(guò)對(duì)蛋白質(zhì)表面基團(tuán)的修飾，引入一氧化氮供體基團(tuán)(-SNO)該基團(tuán)具有熱響應(yīng)性及光響應(yīng)性，高溫時(shí)會(huì)釋放一氧化氮。為了提高一氧化氮釋放效率，采用生物礦化的方法在蛋白質(zhì)空腔中合成硫化銀量子點(diǎn)，利用硫化銀量子點(diǎn)的光熱性能，釋放一氧化氮。

該納米顆粒通過(guò)被動(dòng)靶向富集到腫瘤部位煤氣報(bào)警器，808 nm波長(zhǎng)激光照射引起光熱從而導(dǎo)致一氧化氮的釋放，進(jìn)一步的，一氧化氮增強(qiáng)放療的效果一氧化氮含量，成功消除NOD小鼠皮下4T1腫瘤。隨后甲醇檢測(cè)儀，我們使用模式抗原OVA作為載體，合成的Ag2S@OVA-SNO納米顆粒能夠有效增強(qiáng)小鼠的抗腫瘤免疫反應(yīng)。該體系能夠?qū)崿F(xiàn)一氧化氮的有效控釋?zhuān)雒裟[瘤放療-免疫治療，并通過(guò)改變蛋白質(zhì)載體，實(shí)現(xiàn)特異性的免疫增強(qiáng)。

圖文導(dǎo)讀

IAg2S@BSA-SNO納米顆粒的合成與基本表征

首先，采用生物礦化的方法合成Ag2S@BSA納米顆粒，參考Yang等人的工作選取55℃下合成的Ag2S@BSA進(jìn)行下一步的制備。使用Traut’s reagent將蛋白進(jìn)行巰基化修飾，再與亞硝基叔丁酯進(jìn)一步反應(yīng)引入-SNO功能基團(tuán)，作為一氧化氮供體。對(duì)合成過(guò)程中的每一步產(chǎn)物進(jìn)行基本表征，最終產(chǎn)物的粒徑主要分布在50 nm左右，該體系在近紅外波段有較平穩(wěn)的吸收。

圖1.a)Ag2S@BSA-SNO的合成示意圖；b，c)Ag2S@BSA和Ag2S@BSA-SNO的TEM圖及溶液照片；d)Ag2S@BSA-SNO合成過(guò)程中中間產(chǎn)物及最終產(chǎn)物的粒徑分布；e)含有Ag2S的三種納米顆粒均有一致的紫外-可見(jiàn)光吸收?qǐng)D譜；f)Ag2S@BSA-SNO納米顆粒的元素分布。

IIAg2S@BSA-SNO納米顆粒的性能測(cè)試及體外實(shí)驗(yàn)

首先測(cè)試了Ag2S@BSA-SNO的光熱轉(zhuǎn)換情況，與文獻(xiàn)報(bào)道一致，含有Ag2S的納米顆粒在808 nm波長(zhǎng)激光照射下升溫，其溫度變化隨著濃度的升高而增加，并具有一定的光熱穩(wěn)定性。此外，該光熱材料還具有光聲信號(hào)，在730 nm波長(zhǎng)下具有與濃度相關(guān)的廣生信號(hào)強(qiáng)度變化，可用于活體內(nèi)材料富集的監(jiān)測(cè)。不同溫度下的一氧化氮釋放和光熱控釋的一氧化氮釋放情況也通過(guò)試劑盒進(jìn)行了檢測(cè)，37℃下該體系尚能保持穩(wěn)定，但是該納米顆粒能夠在激光引發(fā)的光熱作用下有效釋放一氧化氮。細(xì)胞克隆實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了一氧化氮的釋放能夠增敏放療，大大降低腫瘤細(xì)胞的存活率。通過(guò)DNA染色實(shí)驗(yàn)，證明了該過(guò)程大概率由NO阻礙 DNA損傷修復(fù)引起。

圖2. 材料的特性表征。a)808 nm波長(zhǎng)激光照射下Ag2S@BSA-SNO溶液和PBS溶液的紅外熱成像；b)不同濃度的Ag2S@BSA-SNO溶液在相同功率的808 nm波長(zhǎng)激光照射下的溫度變化曲線；c)不同濃度的Ag2S@BSA-SNO溶液的紫外-可見(jiàn)光吸收?qǐng)D譜；d)多次激光開(kāi)/關(guān)循環(huán)引起的Ag2S@BSA-SNO溶液溫度變化曲線；e，f)Ag2S@BSA-SNO的光聲信號(hào)及其與濃度的關(guān)系；g)不同溫度下一氧化氮的釋放情況；h)多次激光刺激引起NO的階段性釋放；i)細(xì)胞克隆統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖例同圖j；j，k)DNA損傷染色實(shí)驗(yàn)的定量及定性數(shù)據(jù)。

IIIAg2S@BSA-SNO體系的體內(nèi)富集、升溫和抗腫瘤療效

根據(jù)該體系具有光聲信號(hào)的性質(zhì)，采用光聲活體成像的方式監(jiān)測(cè)了荷瘤小鼠經(jīng)尾靜脈注射Ag2S@BSA-SNO后腫瘤部位的信號(hào)變化，通過(guò)與空白組的對(duì)比，確定該材料在4 h左右富集在腫瘤部位并有較長(zhǎng)時(shí)間的滯留。富集有Ag2S@BSA-SNO的腫瘤在808 nm激光器的照射下能夠有效升溫，達(dá)到NO釋放的溫度條件。確定材料的富集和活體內(nèi)升溫情況后，對(duì)皮下接種4T1腫瘤的NOD鼠進(jìn)行治療，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組有效消滅了腫瘤并得到60%的長(zhǎng)期存活率，與對(duì)照組有明顯差異，治療期間小鼠體重平穩(wěn)，說(shuō)明治療過(guò)程對(duì)小鼠健康影響較小。

圖3.材料的富集和活體上腫瘤的放療增敏。a，b)腫瘤內(nèi)的光聲信號(hào)圖及強(qiáng)度變化曲線；c，d)808 nm激光器照射尾靜脈注射不同材料后的腫瘤部位，得到的紅外熱成像圖及溫度變化曲線；e，f，g)腫瘤治療實(shí)驗(yàn)中腫瘤生長(zhǎng)曲線，存活率統(tǒng)計(jì)及體重變化；h)不同組別處理后未完全消失的腫瘤部位切片HE染色圖。

IVAg2S@OVA-SNO體系的腫瘤放療-免疫治療聯(lián)合治療

將原Ag2S@BSA-SNO體系中BSA更換為模式抗原OVA，成功合成Ag2S@OVA-SNO納米顆粒，對(duì)小鼠B16-OVA腫瘤模型進(jìn)行治療，并評(píng)價(jià)其抗腫瘤免疫學(xué)相關(guān)指標(biāo)，NO的有效釋放確實(shí)增強(qiáng)了免疫治療效果，增加了腫瘤部位CTLs的浸潤(rùn)，促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M1型極化，血清中IFN-γ的含量增加，體現(xiàn)了該體系在腫瘤特異性免疫治療中的潛力。

圖4.Ag2S@OVA-SNO的增強(qiáng)腫瘤放療-免疫治療聯(lián)合治療的療效及評(píng)價(jià)。a)單只小鼠腫瘤生長(zhǎng)曲線；b)不同組別的小鼠腫瘤生長(zhǎng)曲線統(tǒng)計(jì)圖；c)小鼠存活率統(tǒng)計(jì)；d)小鼠體重記錄；e)腫瘤部位切片，染色CD8+ T細(xì)胞，聯(lián)合治療組的CD8+信號(hào)明顯高于對(duì)照組；f，g)不同組別小鼠腫瘤組織中CTLs的典型流式圖及統(tǒng)計(jì)圖；h)不同組別小鼠血清中IFN-γ水平；i，j)流式分析腫瘤部位巨噬細(xì)胞分型。

作者簡(jiǎn)介

孟周琪博士后(2017-2019)

本文通訊作者

蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院

▍主要研究領(lǐng)域刺激響應(yīng)性高分子水凝膠材料在腫瘤免疫治療中的應(yīng)用，生物納米材料在腦部疾病治療中的應(yīng)用。▍主要研究成果在Nat.Commun.、Adv. Mater.、NanoLett.等多個(gè)高影響力雜志上以第一作者發(fā)表多篇研究成果，獲得授權(quán)多項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，博士后期間獲得國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目。

汪超教授

本文通訊作者

蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院

▍主要研究領(lǐng)域生物材料一氧化氮含量，免疫工程，腫瘤免疫治療。▍主要研究成果主要在生物材與免疫工程領(lǐng)域開(kāi)展研究工作，共發(fā)表SCI論文90多篇，其中第一/通訊作者論文35篇，發(fā)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。連續(xù)兩年(2018-2019)入選科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”名錄(材料科學(xué))、入選江蘇省特聘教授 (2018)、江蘇省雙創(chuàng)人才 (2019)等。▍課題組主頁(yè)：撰稿：原文作者

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