水凝膠在腫瘤免疫治療中的研究進展

田 甜，王經國，查正寶，王 華，3

(1. 安徽醫科大學第一附屬醫院腫瘤科，安徽 合肥 230032；2.合肥工業大學食品與生物工程學院，安徽 合肥 230009；3.安徽醫科大學藥學院，肝病研究所，安徽 合肥 230032)

癌癥是全世界疾病死亡的主要原因之一，盡管最近在治療方面取得了極大的研究進展，但它仍然是對健康的最大威脅之一。機體因免疫耐受，不能進行正常的免疫應答，從而促進腫瘤的發生。免疫療法是利用患者自身免疫系統對抗癌癥或其他免疫性疾病的治療。癌癥治療的常用策略是化療、放療和外科治療。與化療和放療相比，免疫療法可以利用宿主的免疫系統，殺死腫瘤細胞，長期抑制腫瘤生長和復發。但免疫療法需要反復大劑量注射，治療反應的個體差異大、免疫應答效率低。因此免疫治療多與其他治療聯合應用，產生協同作用。與單一治療相比，聯合治療能極大促進抗原釋放并具有持久的療效。免疫治療與其他治療聯合應用將成為極具潛力的新治療策略。然而，腫瘤生長的明顯特征之一是生成雜亂而無功能特性的血管[1]，使得藥物不能順暢地通過血流到達腫瘤部位。只有小部分靜脈給藥的藥物可以到達實質靶標，而剩余的循環藥物可能損害正常組織。因此藥物的輸送變得復雜，導致療效有限。

為了克服上述缺點，新的給藥材料和給藥途徑急需改善。水凝膠作為腫瘤局部和持續藥物輸送載體引起了人們的關注，因其在原位腫瘤藥物輸送方面具有獨特的優勢，與全身藥物輸送系統相比，具有良好的注射能力和微創的給藥方法。可以在腫瘤部位同時輸送多種抗癌藥物，保持相對較高藥物濃度并減少全身毒性副作用。該文對近幾年水凝膠免疫治療與其他治療的聯合應用進行了綜述，并對其發展進行展望。

Fig 1 Schematic illustration of hydrogels as unique platforms for immunotherapeutics-based combination antitumor therapy

The combination strategies contain immunochemotherapy, immunoradiotherapy, immunophotothermal therapy and immunophotodynamic therapy.

1 水凝膠特性

水凝膠是親水性網狀高分子，能夠保留大量的水，并且不溶于水，表面光滑抗菌，是一種理想的生物材料。它具有多孔結構，可將藥物包裹其中，增強藥物療效，降低不良反應[2]。多種天然材料可合成水凝膠，如透明質酸、纖維蛋白、殼聚糖、海藻酸鹽和明膠，具有良好的生物相容性，明確的化學結構等特點。水凝膠定位在注射針可以到達的任何地方，與手術植入相比，是一種更簡單且侵入性更小的手術。避免了組織損傷和炎性傷口反應相關的并發癥[3]。它可以移動和流動，在形成持久植入物之前可用于任何可用空間，因此廣泛應用于醫學生物領域。它可以作為運輸載體包裹藥物和細胞，促進傷口愈合，制造各種類型的功能性組織結構以及用于醫療器械領域。

2 水凝膠的應用

2.1 用于化療與免疫治療聯合治療化療和免疫治療的協同作用增強了化療的抗腫瘤作用，這種聯合治療引起了人們的極大關注[4]。越來越多的證據表明，一定劑量的化療藥物，如紫杉醇、阿霉素和順鉑，能激活宿主免疫[5]，因此化療的抗腫瘤作用不僅介導細胞毒性作用，還調節腫瘤免疫，包括增強腫瘤抗原表達、抑制調節性細胞和誘導免疫原性細胞死亡。雖然化療可以有效地治療某些類型的癌癥，但由于化療的缺點：如高頻率注射、代謝速度快、藥物利用率低、副作用嚴重等，所以治療往往伴隨著嚴重的副作用和生活質量的下降。為了增強免疫治療的效果，擴大現有化療的療效，探索免疫治療與化學治療的聯合治療是十分必要的。

2.1.1免疫檢查點抑制劑 癌細胞利用免疫檢查點(immune checkpoint blockade，ICB)引起T細胞功能障礙，導致免疫逃避，在多種類型實體瘤的癌癥患者中免疫檢查點阻斷顯著延長了患者的生存期[6]，然而仍有一些問題亟待解決，例如只有少數患者對于免疫檢查點阻斷治療起效[7]，免疫檢查點抑制后可引起正常器官的副作用[8]，并且一些化療藥物在單一治療時活性不大，但與免疫治療結合會增強抗癌作用。因此研究旨在增強腫瘤免疫原性表型、增加ICB反應和避免嚴重副作用。

Wang等[9]制備了一種H2O2可降解的聚乙烯醇(polyvinylalcohol，PVA)水凝膠，包裹吉西他濱(gemcitabine，GEM)和抗PD-L1阻斷抗體(anti-PD-L1 blocking antibody，aPDL1)，活性氧(reactive oxygen species，ROS)水凝膠在H2O2溶液中快速釋放出GEM和aPDL1，大多數GEM在1 d內釋放，而aPDL1顯示更持久的釋放，水凝膠引起的活性氧消耗可能有助于腫瘤部位的T細胞募集以及阻斷M2巨噬細胞分化。因此，該水凝膠不僅可以控制藥物釋放，還可以充當活性氧的清除劑以提高治療功效，增強免疫原性腫瘤表型，抑制切除后腫瘤復發。同樣，在Yu等[10]的研究中，合成一種載有抗PD-L1阻斷抗體和右旋-1-甲基色氨酸(dextro-1-methyl tryptophan，D-1MT)的活性氧多肽溫敏水凝膠，在低溫條件下與藥物結合后注射到體內，通過體溫形成凝膠，形成一個藥物緩釋系統，并通過清除腫瘤部位的活性氧來改善T細胞的數量，減輕免疫抑制性腫瘤微環境。D-1MT是吲哚胺-2，3-雙加氧酶(indoleamine-2,3-dioxygenase，IDO)抑制劑，IDO限制T細胞活化和通過犬尿氨酸途徑催化色氨酸降解誘導腫瘤免疫耐受。因此聯合aPD-1和D-1MT可以增強黑色素瘤的治療功效。Ruan等[11]設計了能夠響應腫瘤微環境內的酸性pH和活性氧的雙生物響應性凝膠，首先將抗PD1抗體加載到pH敏感性碳酸鈣納米顆粒(calcium carbonate nanoparticles，CaCO3NPs)中，將其與澤布拉林一起包封在ROS響應性水凝膠中。增強抗原呈遞細胞捕獲腫瘤抗原，有效誘導全身抗腫瘤免疫應答。CD47 抗體一直被喻為腫瘤免疫領域的“明日之星”。Chen等[12]將預載有抗CD47抗體(anti-CD47 antibody，aCD47)的碳酸鈣納米顆粒包封在纖維蛋白凝膠中并清除手術傷口中的H+，CaCO3納米粒子可以在酸性腫瘤微環境中逐漸溶解和釋放包封的aCD47，從而促進M1型巨噬細胞的激活，通過阻斷CD47和信號調節蛋白-α相互作用以及誘導巨噬細胞對癌細胞的吞噬作用，同時減少aCD47全身給藥相關的毒性作用。

將免疫檢查點抑制劑封裝到水凝膠，不僅可以提高免疫治療反應，還可以增強靶向效應，水凝膠載體以較低有效的劑量將免疫活性成分和化療藥物直接遞送到靶點位置。

2.1.2免疫細胞和細胞因子

2.1.2.1 免疫細胞 免疫細胞包括T細胞、自然殺傷細胞(natural killer cell，NK)和樹突細胞(dendritic cell，DC)，免疫細胞在腫瘤監測中起著重要作用。化療藥物和細胞因子的持續釋放有助于長期的抗腫瘤治療。由于樹突細胞是調節T細胞免疫的關鍵因素，因此樹突細胞在腫瘤疫苗和過繼轉移治療中的應用日益廣泛。然而，用于癌癥免疫療法的DC疫苗源自外周血細胞，通過離體的腫瘤特異性抗原分離和激活再次輸注回患者體內。但大多數的移植DC很快死亡，只有少數可以回到淋巴組織中[13]，為了解決這個問題，Yang等[14]將樹突細胞、腫瘤抗原和抗PD-1抗體包封到肽納米纖維水凝膠中，形成了一個疫苗結節。經皮下注射后，疫苗結節維持了樹突細胞的活性和生物學功能，并刺激抗原特異性效應T細胞的活化。抗PD-1抗體聯合應用進一步增強抗腫瘤CD8+T細胞免疫應答。同樣Song等[15]合成由腫瘤細胞裂解物，TLR3激動劑，和多肽水凝膠組成的疫苗制劑可促進樹突細胞的成熟，提高了抗腫瘤活性。除了靶向樹突細胞的腫瘤疫苗，針對M1巨噬細胞作用的水凝膠疫苗同樣會產生有效的免疫治療。M1巨噬細胞可顯著導致體內腫瘤消退。但是其產生急性炎癥反應導致小鼠死亡。并且直接注射方法使免疫細胞不能保存在腫瘤部位。Guerra等[16]用水凝膠包埋M1巨噬細胞上調白細胞介素-6，硝酸鹽和腫瘤壞死因子α，促進半胱氨酸蛋白酶誘導腫瘤細胞凋亡。M1水凝膠與對照組相比，顯著降低肝癌細胞的存活率。癌癥治療的主要目的是根除原發性腫瘤，控制轉移，預防腫瘤復發。Jin等[17]開發了一種載有阿霉素的蜂毒肽-RADA32復合肽水凝膠(melittin-RADA32-DOX，MRD)，使用單劑量注射MRD水凝膠，抑制原發性黑色素瘤腫瘤的生長，同時激活自然殺傷細胞和引流淋巴結的樹突狀細胞，特異性消耗M2樣腫瘤相關巨噬細胞，并產生活性細胞毒性T細胞，MRD水凝膠的多劑量注射消除了50%的原發性腫瘤，并且在根除原發腫瘤后達到完全緩解。Luo等[18]制備的D-四肽水凝膠可以有效刺激CD8+T細胞，增強了腫瘤疫苗免疫原性。由于腫瘤抗原的低表達和突變，免疫細胞通常不能識別腫瘤細胞并將其呈遞給效應細胞。通過利用水凝膠包裹免疫細胞可以克服腫瘤的低免疫原性和低抗原致敏性，實現持久的全身免疫。

2.1.2.2 細胞因子 細胞因子作為免疫系統的重要組成部分之一，在腫瘤抑制中起著關鍵作用，它能刺激免疫細胞增殖和分泌炎癥細胞因子殺死癌細胞。

白細胞介素-2(interleukin-2，IL-2)是調節T細胞、B細胞和自然殺傷細胞增殖和分化的重要細胞因子。 Song等[19]設計了由殼聚糖、兩種帶相反電荷的殼聚糖衍生物構成的納米凝膠，用紅細胞膜包裹納米凝膠，形成“納米海綿”。用于遞送IL-2而不降低生物活性。納米凝膠提高了藥物滲透性，誘導鈣網蛋白暴露，從而激活樹突細胞吞噬作用，抑制調節細胞，增強抗腫瘤免疫。Wu等[20]制備了包裹白細胞介素-15(interleukin-15，IL-15)與順鉑(cisplatin，CDDP)共傳遞聚乙二醇溫敏水凝膠，在大鼠皮下注射后3周內徹底降解，具有良好的生物相容性。單次注射含有IL-15/CDDP的水凝膠后，誘導CD8+T細胞和NK細胞增多，雙藥物水凝膠顯示出協同抗癌效果。因此，研究結果表明細胞因子聯合化療是抗腫瘤免疫治療的一個重要發展方向。水凝膠可作為一種生物支架，將細胞因子釋放到周圍環境。有效控制藥物釋放，減少高劑量藥物的毒副作用。盡管目前的研究較少,但是提出了創新性的解決辦法解決傳統免疫療法中的局限問題, 具有巨大的發展潛力。

2.2 用于免疫治療和放療聯合治療利用放射性同位素破壞腫瘤的放射治療已廣泛應用于臨床癌癥治療，放療可誘導癌細胞的免疫原性，免疫治療聯合放療不僅可提高放療局部療效，同時也增強了遠位的抗腫瘤效應。放射性同位素會對正常組織產生顯著的毒性作用，為了降低副作用，采用水凝膠作為藥物輸送平臺用于放療與免疫治療聯合治療。

Chao等[21]用海藻酸鈉、過氧化氫酶(catalase，CAT)和CpG寡核苷酸合成一種原位水凝膠，在注射時，可溶性多糖海藻酸鈉可與內源性Ca2+交聯迅速轉化為水凝膠，將131I-Cat固定在腫瘤內。將放射性同位素標記的酶與免疫佐劑一起局部捕獲在腫瘤內，從而使得放療增強了局部腫瘤殺傷效力。在局部放療與細胞毒性T淋巴細胞相關蛋白-4檢查點阻斷聯合治療后，協同消除遠處轉移性腫瘤，并且增強治療小鼠長期免疫記憶效應。上述研究表明，利用水凝膠運載藥物輔助放療，可以減少放療對機體的損害。

2.3 用于光熱療法，光動力療法與免疫療法聯合治療光熱療法是一種新興的無創和遠程可控治療方式，可以利用光熱劑迅速將光轉換為局部熱量，并通過提高腫瘤區域的溫度來使腫瘤消退。光熱療法比化療和放療更有顯著的優勢，它具有優越的局部效應和較少的全身副作用。光熱治療作為單一療法，腫瘤組織熱量分布不均勻，一般不能完全治療腫瘤。因此，利用光熱治療與免疫治療聯合應用可以大幅提高腫瘤疫苗效力，提高免疫療法的療效。

Ye等[22]制備了經手術去除腫瘤細胞膜的黑磷量子點納米囊泡(black phosphorus quantum dot nanovesicles，BPQD-CCNVs)，并將其裝入含有粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子和脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)的溫敏水凝膠中。BPQD是一種具有光熱轉換和良好生物降解性能的光熱材料。近紅外輻射和LPS刺激DC的活化，結合PD-1抗體可顯著消除殘留和轉移的癌細胞。從患者切除的腫瘤形成基于癌細胞膜的疫苗，可提供豐富的自體腫瘤抗原，保護BPQD免于體外降解。因此，該治療策略對癌癥的個性化治療產生深遠的影響。早期非轉移性實體瘤主要治療方式是外科手術切除。然而，殘留的微小腫瘤或循環腫瘤細胞在術后數月或數年內可能導致腫瘤復發和轉移。Wang等[23]設計了一種癌癥疫苗(personalized cancer vaccine，PVAX)用于術后免疫治療。PVAX是通過用水凝膠基質包裹JQ1和吲哚菁綠。808 nm近紅外激光照射激活PVAX，促進樹突狀細胞成熟，誘導細胞毒性T淋巴細胞轉化，顯著抑制腫瘤復發。PVAX同時增強患者特異性免疫應答和阻斷PD-L1依賴性免疫逃避有效預防術后腫瘤復發和轉移。Wang等[24]設計了一種用于巨噬細胞免疫調節的3D細胞外基質光響應透明質酸水凝膠納米復合物，該水凝膠可以激活巨噬細胞的αvβ3整合素，并且αvβ3整合素激活可以增強抗炎M2巨噬細胞極化。光響應水凝膠在不同波長的照射下實現按需釋放治療劑量，啟動腫瘤特異性免疫應答，引起了持久的免疫記憶效應，并且不會對正常器官造成病理損傷。

光動力療法(photodynamic therapy,PDT)通過光敏劑在光照下產生ROS來殺死腫瘤細胞，是一種腫瘤局部治療方法。光動力治療后的免疫反應不足以有效消除遺留在體內的癌細胞。為了引發強大的抗腫瘤免疫反應，通常需要聯合免疫治療增強免疫原性。

Meng等[25]設計了一種光觸發原位凝膠系統，由Ce6光敏劑，過氧化氫酶，聚乙二醇雙丙烯酸酯與納米顆粒免疫佐劑組成，將混合物溶液局部注射到腫瘤中并用660 nm紅光照射腫瘤，腫瘤內源性H2O2分解產生O2緩解腫瘤缺氧，從而提高PDT功效。進一步與抗細胞毒性T淋巴細胞相關蛋白-4檢查點阻斷聯合治療，不僅有效抑制遠處腫瘤的生長，而且對再次復發的腫瘤提供長期免疫記憶保護。因此，通過注射光觸發原位凝膠系統可以極大增強免疫療法。

3 展望

免疫治療和生物材料的聯合應用克服了限制癌癥免疫治療的臨床障礙。目前生物材料研發和癌癥免疫治療領域都以驚人的速度發展，每年都出現新的材料和臨床試驗。盡管聯合治療方法增強了治療效果，但也觀察到許多副作用或毒性作用。因此，在水凝膠載藥平臺的設計中應仔細考慮精確劑量，治療順序和給藥途徑。這需要不斷完善水凝膠藥物載體技術，以研制獲得更多、更好的新型材料用于腫瘤的臨床治療。水凝膠作為載藥平臺是可以定制的，以更精確的方式增加效應免疫細胞的活性，以滿足各種藥物或細胞療法的化學或生物需求。隨著水凝膠的深入研究，免疫治療和其他聯合治療的不斷完善，水凝膠將成為一種極具潛力的藥物載體。