新型纳米材料AMD靶向清除NETs用于肿瘤免疫治疗和转移抑制的研究

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目的:作为一种由中性粒细胞活化后释放的DNA-组蛋白复合物和多种蛋白质共同组成的网状结构,中性粒细胞胞外诱捕网(Neutrophil extracellular traps,NETs)能够捕获并杀死病原微生物,也可参与机体免疫应答。然而,NETs过度激活或清除受阻可导致其调节失衡,这些病理性的NETs可参与肿瘤的生长和转移,对患者生存及预后造成不良影响。作为主要核酸内切酶之一,DNase I能降解DNA,具有清除NETs的作用。但是,DNase I存在血浆中半衰期短、需大剂量多次给药等问题。此外,全身性DNase I给药将损害固有免疫防御能力,增加机体罹患感染性疾病的风险。因此开发新型靶向NETs的药物具有重要的理论和临床意义。本研究旨在探讨新型纳米材料Au PB@m PDA-DNase I(AMD)靶向清除NETs在结直肠癌(Colorectal cancer,CRC)免疫治疗和肝转移中的作用,并阐明其机制和临床意义。方法:收集CRC患者原发灶及肝转移灶组织标本,应用组织免疫荧光(Immunofluorescence,IF)法分析NETs在原发灶及肝转移灶中的浸润情况;采用“一锅法”制备金纳米颗粒Au PB,然后通过种子微乳液法包覆介孔聚多巴胺m PDA壳进行表面修饰,使用紫外-可见-近红外(Ultraviolet-visible-near-infrared,UV-vis-NIR)吸收光谱、透射电子显微镜(Transmission electron microscope,TEM)表征纳米颗粒的形貌和结构;记录温度-光照时间变化过程,检测纳米颗粒的光热效应和稳定性;超声搅拌负载DNase I,随后使用荧光光谱仪检测上清液的酶活性,以定量分析体外DNase I的释放情况;MTT法检测AMD的体外细胞毒性;通过检测小鼠体重、血生化、血常规的变化及使用苏木精-伊红(Hematoxylin-eosin staining,HE)对主要器官进行染色,评估AMD的体内生物安全性;使用电感耦合等离子体质谱(Inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)分析组织中的金元素含量,用以反映AMD在体分布和随时间变化情况;小动物活体成像评估DNase I在活体小鼠中的释放;使用免疫磁珠法分离并筛选出小鼠骨髓来源中性粒细胞,分别加入含有PMA、IL-8或MC38肿瘤细胞上清的培养基,同时使用DNase I、AMD或AMD+Laser处理,IF和扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)检测和观察NETs;小动物活体成像监测小鼠盲肠原位瘤增殖情况,并绘制生存曲线;IF检测盲肠原位肿瘤组织免疫效应细胞和NETs浸润改变,流式细胞术(Flow cytometry,FCM)评估免疫细胞的比例变化;荧光显微镜观察在体外条件下各治疗组NETs对癌细胞的捕获情况;构建小鼠肿瘤经脾肝转移模型,肝脏组织FCM和冰冻切片检测各治疗组NETs在体内对肿瘤细胞的捕获情况;构建小鼠肿瘤经脾肝转移模型,小动物活体成像、大体及HE法观察肝脏转移灶形成情况,并绘制生存曲线;IF观测肝脏NETs浸润改变。结果:CRC患者原发灶及肝转移组织IF结果显示,原发瘤和肝转移瘤中NETs广泛浸润;TEM检测显示了纳米颗粒所具有的明显的核-壳结构和超支化内部结构,及其高度单分散性;UV-Vis-NIR吸收光谱检测显示近红外二区(Second near-infrared,NIRⅡ)窗口的强烈宽带吸收峰;纳米粒子在5次加热-冷却循环后保持几乎相同的光热活性;MTT实验结果显示与高浓度AMD(400μg/m L)孵育后,细胞活力仍高达92%,表明AMD具有良好的细胞相容性;小鼠体重监测,血常规、血生化分析,以及主要脏器HE形态学结果显示AMD注射组与对照组无显著差异,提示AMD具有良好的安全性;ICP-MS分析发现,盲肠原位荷瘤小鼠中肝脏、肿瘤和脾脏中富集AMD,此外,AMD注射后第17天,肿瘤和肝脏组织AMD仍有AMD积累,证实了AMD单次注射后长期滞留的特性;通过小动物活体成像技术观察到在NIR-Ⅱ激光照射后,盲肠原位瘤部位累积的AMD成功释放了DNase I;IF和SEM结果显示AMD+Laser可降解多种刺激下中性粒细胞活化形成的NETs;MC38盲肠原位瘤模型中,AMD+Laser与PD-1单抗联合治疗后第22天,有3只小鼠盲肠原位肿瘤自发光信号消减至不能检测,定量分析显示,联合治疗组的肿瘤平均自发光信号强度下降至对照组的7.97%和PD-1单抗治疗组的19.68%;生存分析显示联合治疗可延长小鼠存活时间,存活时间最长的1只小鼠为59天(n=8),与单独PD-1单抗治疗组治疗组相比预后显著改善(p=0.0124);进一步分析原位瘤免疫微环境提示,联合治疗组肿瘤浸润NETs减少,CD8+T淋巴细胞(CD3+CD8+)占CD3+T细胞的比例增加到对照组的1.53倍(p=0.007),NK细胞(NK1.1)占白细胞的比例升高到对照组的4.42倍(p=0.0172);通过体外捕获实验,观察到AMD+Laser处理组NETs对肿瘤细胞捕获减少;肝脏组织FCM结果提示,肿瘤细胞经脾注射后24 h和48 h,AMD+Laser治疗组肿瘤细胞肝内定植比例分别下降至对照组的43.88%(p=0.0017)和32.27%(p=0.0033),冰冻切片结果显示AMD+Laser治疗组可减少肝内转移性结肠癌细胞的早期定植;MC38经脾肝转移模型中,肝转移灶数目定量分析显示,AMD+Laser治疗组平均肝转移病灶数目约为对照组的45.16%(p=0.0086),生存分析提示AMD+Laser治疗组小鼠中位生存时间为35.5天,较对照组显著延长(p=0.0023);小鼠肝脏组织IF结果提示,与对照组相比,接受AMD+Laser治疗后NETs浸润减少。结论:NETs在CRC患者原发灶及肝转移组织中广泛浸润,是CRC治疗的潜在靶标之一。本研究成功构建了一种新型肿瘤靶向纳米材料AMD,验证了其良好的生物安全性,可实现NIR-Ⅱ激光介导下的深部组织DNase I靶向递送,从而诱导NETs的高效降解。并从体内外水平系统的论证AMD在NIR-Ⅱ激光介导下可以靶向清除深部CRC原位瘤和肝脏部位的NETs,有效打破肿瘤细胞与免疫细胞之间NETs这一物理屏障并减少NETs对转移性结肠癌细胞的捕获,最终增强PD-1疗效并阻遏肿瘤转移。本研究基于AMD的NETs新型降解方式具有较高的临床应用价值,有望为肿瘤治疗带来新的曙光。
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