《AM》:“加强型”复合水凝胶对肿瘤环境脂质的时空干预

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诱导免疫原性细胞死亡(ICD)在肿瘤免疫治疗中起着至关重要的作用，通过化学或物理应激诱导ICD已成为多种癌症治疗策略中的关键组成部分，但癌细胞中多余的抗氧化剂防御和免疫抑制细胞群体中异常的脂代谢严重影响了ICD的疗效。为此，来自上海交通大学宋海云研究员、樊春海院士和西安交通大学张继业教授共同研究发现中空介孔CuS纳米粒子(NPs)具有内在的抑制谷胱甘肽过氧化物酶4 (GPX4)的能力（图1a）。

当负载铁死亡抑制蛋白1(FSP1)的抑制剂时，这些NPs可以阻断两个平行的氧化还原系统，并与近红外辐射协同作用来加强ICD（图1b）。进一步制备了一种以CuS纳米粒为靶向的癌细胞和免疫抑制细胞靶向的磺基-N-琥珀酰亚胺油酸酯(SSO)的水凝胶用于时空脂质干预。CuS纳米粒通过协同的脂质过氧化增强ICD，SSO通过脂代谢重编程恢复免疫感知，从而协调地触发强大的先天和获得性免疫，以抑制肿瘤的生长、复发和转移。

相关研究成果以“Composite Hydrogel for Spatiotemporal Lipid Intervention of Tumor Milieu”为题于2023年1月13日发表在《Adv. Mater.》上。

1. CuS纳米粒子的制备与表征

在这项研究中，作者预设目标是通过基于NP的递送系统协同地在癌细胞中诱导ICD的脂质过氧化，其效率可以通过近红外(NIR)辐射来放大。因此，作者合成了一种既作为纳米载体又作为光敏剂的中空介孔CuS纳米颗粒，从SEM中显示出尺寸均匀、球状的形貌(图2a)，通过EDS元素图谱和EDS元素分析确认了CuS NPs的组成(图2b)。TEM显示CuS纳米粒子具有典型的中空介孔结构(图2c)。此外，它们的吸收光谱在700到1100 nm之间有显著的增加，这表明它们作为光热材料的潜力(图2d)。在980 nm近红外激光照射下，CuS纳米颗粒水溶液的升温速度比水更快，在重复加热和冷却循环中，稳定的光热转换效率为50.2%(图2e-f)。

作者进一步研究了CuS纳米粒子在非肿瘤细胞中的生物相容性，包括L6成肌细胞和293T胚胎肾细胞。当CuS NP的浓度达到100μg/mL时，没有观察到细胞毒性的迹象，表明CuS NP在这个范围内没有表现出一般的细胞毒性。此外，作者观察到，负载的CuS纳米颗粒本身就可以诱导4T1三阴性乳腺癌(TNBC)细胞的脂质过氧化(图2g)。在探索这种作用的可能机制时，作者发现即使是轻微的剂量(1-5μg/ml)的CuS纳米粒子也能够以浓度依赖的方式抑制细胞内Gpx4的水平，这表明这种现象是由于CuS纳米粒子对Gpx4抑制的内在属性(图2h)。总的来看，CuS纳米颗粒可以与Gpx4相互作用，促进其降解，从而抑制Gpx4的功能。同时作者还证实了IF-CUS纳米粒是一种有效的、近红外增强的ICD诱导剂。

2. 水凝胶介导的免疫抑制细胞的脂质重排

在肿瘤细胞中协同诱导ICD的同时，作者计划同时重新编程免疫抑制细胞中的脂质代谢，以增强免疫感知。通过6 wt%聚乙烯醇(PVA)基质与6 wt% TSPBA交联制备了一种ROS响应性水凝胶用于局部联合治疗。作为对富含脂肪的TME的模仿，在培养基中加载了游离脂肪酸。棕榈酸(PA)刺激M2-TAMs细胞摄取荧光脂肪酸BODIPY C16。通过与来自H2O2刺激的SSO@Gel的SSO(300 μM)同时孵育，BODIPYC16的积累可以被下调到基础水平，这表明M2-TAM中的脂肪酸运输主要依赖于CD36受体，并被CD36抑制剂有效地阻断(图3a)。由于免疫抑制细胞依赖于脂肪酸氧化(FAO)作为能量来源，作者分析了FAO相关基因的表达。PA负载导致M2-TAM中线粒体FAO增加，SSO@Gel处理可解决，而未加载的水凝胶不会影响这一情况(图3b)。

作者进一步研究了脂代谢改变对M2-TAM极化的影响。PA处理的M2-TAM显示Arg-1表达增加，表明脂质摄取增加和FAO促进M2-TAM极化。相反，SSO@Gel处理阻止了PA刺激的Arg-1表达，证实了其抑制M2-TAM极化的能力。同样，在暴露于油酸(OA)后，MDSCs中FAO相关基因的表达被激活，这些刺激效应被SSO@Gel抑制。此外，OA通过刺激MDSC标志物的表达来促进MDSC分化，而SSO@Gel抑制了OA处理的MDSC中iNOS和Arg-1的表达(图3c)。

3. 复合水凝胶介导型原位肿瘤的联合治疗

在分别证明了IF-cus NPs和SSO@Gel在ICD诱导和免疫感知方面的优势后，作者将这两种治疗方法结合在一个复合水凝胶中，在原位TNBC小鼠模型中对肿瘤细胞和免疫抑制细胞群进行靶向调节。在治疗期间，每8天在肿瘤内给予free iF-CuS-M和SSO (iF-CuS-M/SSO)、SSO@Gel、iF-CuS-M@Gel或iF-CuSM/SSO@Gel，共给药4次，并在每次注射后4天应用近红外激光(图4a)。通过检测DC成熟程度和细胞毒性T细胞的浸润程度，评价肿瘤细胞ICD诱导和免疫抑制细胞代谢重编程之间的协同作用对抗肿瘤免疫的激活作用。由此得出iF-CuS-M/SSO@Gel的联合治疗进一步促进了免疫活性DC的生成(图4b-c)。同样，当它们通过水凝胶平台共同传递时，SSO可以与IF-CUS-M协同作用，显著增加肿瘤浸润性CD8+T细胞的水平和增强干扰素γ的表达(图4d)。

接下来，作者评价了该复合水凝胶对荷瘤小鼠的肿瘤生长抑制和生命延长的治疗效果。当模型组小鼠到达肿瘤生长终点时，用SSO@Gel、IF-CUS-M@Gel和IF-CUS-M/SSO@Gel治疗的小鼠肿瘤体积分别减少了35.0±5.4%、71.9±12.4%和97.0±3.0%(图4e)。SSO@Gel组和IF-cus-M@Gel组的中位生存期分别适度延长至37天和41天。此外，接受四种剂量的IF-CUS-M/SSO@Gel治疗的小鼠中，超过一半的小鼠存活了47天以上(图4f)。这些结果表明，复合水凝胶通过双管齐下的方式协调免疫抑制细胞和肿瘤细胞的调节，并协同诱导天然免疫和获得性免疫来抑制肿瘤生长。

综上，本文制备了一种复合水凝胶，可以输送纳米粒子和小分子抑制剂，用于肿瘤细胞和免疫抑制细胞群的时空调节。肿瘤细胞靶向纳米粒同时抑制两个平行抗氧化防御系统的关键成分Gpx4和FSP1，并与近红外辐射协同作用，最大限度地诱导脂质过氧化和ICD。CD36抑制剂靶向免疫抑制的M2-TAMs、MDSCs和Treg细胞，阻断脂质摄取和脂代谢重编程，从而缓解免疫抑制，恢复TME的免疫监视。在小鼠TNBC模型中，两种治疗方式的组合在小鼠TNBC模型中诱导了强大的先天和获得性免疫反应，在抑制肿瘤生长和防止术后复发和转移方面显示出优越的效果。此研究通过对肿瘤环境进行靶向的脂质干预为肿瘤免疫代谢治疗提供了一种新的策略。

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