光激活納米材料用于腫瘤免疫治療的研究進展

許偉喆，王 芳，褚洪遷，

(1．北京市結核病胸部腫瘤研究所耐藥結核病研究北京市重點實驗室，北京 101149；2．首都醫科大學附屬北京胸科醫院轉化醫學研究室，北京 101149)

迄今為止，癌癥仍是威脅人類健康的主要因素。目前臨床上癌癥的主要治療方式是手術、化療和放療，但這些治療方式存在較大缺陷，如手術的風險和創傷、非特異性化療藥物產生的嚴重毒副作用以及放療產生的輻射影響正常細胞生長[1]。因此，許多新型的治療策略應用于臨床實驗，包括免疫治療、基因治療和光療等，其中免疫療法受到了廣泛的關注[2]。

癌癥免疫治療是通過激活或者增強宿主的免疫反應，實現跟蹤、殺傷和清除癌細胞。免疫治療的優點在于其不僅可以消除局部轉移性腫瘤，還可通過長期的免疫記憶防止腫瘤復發[3]。目前，已有多種癌癥免疫治療策略應用于臨床研究，如癌癥疫苗[4]、免疫檢查點封鎖治療[5]、嵌合抗原受體T細胞免疫療法(chimeric antigen receptor T-cell immunotherapy，CART)[6]等。但是，目前的免疫療法也存在不足，經常引起免疫相關不良反應事件，包括脫靶效應、變態反應、細胞因子風暴等[7]。雖然目前靶向治療藥物不斷出現，但仍然面臨著應用群體有限和效果不理想的難題。

隨著納米科學的不斷發展，納米技術的應用已成為醫學科學領域的一種趨勢。納米材料是一類粒徑小于100 nm或者粒徑為100 nm～1μm并表現出納米顆粒性質的材料。納米材料不僅可以通過高滲透滯留效應(enhanced permeability and retention，EPR)靶向腫瘤，還可通過表面修飾將一種或多種藥物、抗體、免疫調節劑或功能分子高效遞送到腫瘤部位，實現富集、調節局部免疫和改善免疫抑制微環境，從而提高腫瘤免疫治療的效果[8]。目前，刺激響應性納米材料特別是借助外源性光激活的納米材料引起了較大關注。光是控制生命過程中常見的物質，其中紫外光(ultraviolet light，UV)或可見光的穿透力弱，光毒性較大，而近紅外(near infrared，NIR)光的穿透能力更強，應用前景更廣泛[9]，因此，光控納米材料在腫瘤免疫治療領域具有較好的應用潛力。將載有藥物的納米材料注射進體內，經過一定時間在腫瘤部位的蓄積，對腫瘤部位進行光照可實現腫瘤局部的免疫激活。圖1展示了部分光控無機納米材料在腫瘤免疫治療(photoimmunotherapy，PIT)中的應用[10]。本文主要概述了光控激活的納米材料在腫瘤免疫治療中的研究現狀及進展。

圖1 無機納米材料用于腫瘤光免疫療法的示意圖[10]

1 基于光激活納米粒子的腫瘤免疫

光療是一種非侵入性或微創性治療方法，由于其在光傳遞中的高選擇性、低創傷度以及清除靶腫瘤的有效性，為消除原發性腫瘤提供了有效的解決方案。利用光控納米材料可以實現靶向腫瘤和通過在體外進行光照射激活納米材料來達到遠程調控抗腫瘤免疫的目的。但是目前常用的光多為UV或可見光，穿透能力弱、光毒性大，不能滿足實際的臨床需求。上轉換納米顆粒(upconversion nanoparticles，UCNPs)是一類獨特的鑭系元素摻雜光學納米晶體，可以將兩個或多個低能光子從近紅外光轉換為波長較短的高能紫外光[11]。Chu等[12]開發了一種光控抗腫瘤免疫治療裝置，利用UCNPs負載可紫外光切割重組胞嘧啶鳥嘌呤二核苷酸-脫氧寡核苷酸(cytidine-phosphatte-guanonine oligodeoxynucleotides，CpG ODN)。UCNPs不僅可以增加CpG ODN的細胞攝取，避免其降解，還可通過EPR效應增強CpG ODN在腫瘤部位的蓄積。材料到達腫瘤后，在腫瘤部位光照，可以實現腫瘤局部的免疫激活而不引起正常臟器的免疫反應，實現高時空精度的遠程控制免疫調節活性，有效降低免疫治療因子的系統毒性。然而，大多數癌癥類型本質上具有免疫抑制性，很難用單一的免疫療法進行控制，聯合其他療法可提高抗腫瘤免疫治療的療效，為臨床應用轉化提供新思路。

2 基于光激活納米顆粒的免疫療法與光動力療法的協同策略

光動力療法(photodynamic therapy，PDT)是通過適當波長的光激活光敏劑，瞬時產生高水平的具有細胞毒性的活性氧(reactive oxygen species，ROS)導致細胞死亡，從而起到抗腫瘤作用[13]。Xu等[14]將光敏劑二氫卟吩e6(chlorin e6，Ce6)和Toll樣受體-7激動劑-咪喹莫特(R837)裝載在UCNPs得到一個新的納米體系UCNP-Ce6-R837。UCNPs具有轉換近紅外光的能力，該納米系統在980 nm NIR激光照射下可突破可見光有限的穿透深度達到有效的PDT效應，破壞腫瘤和促進腫瘤相關抗原的釋放，釋放的腫瘤相關抗原可以協同含免疫佐劑R837的UCNPs引發抗腫瘤免疫反應。該策略的主要優點是在NIR光的照射下，納米體系可對腫瘤進行有效的光動力，破壞腫瘤進而釋放腫瘤相關抗原(tumor-associated antigen，TAA)協同納米顆粒作為佐劑產生強大的抗腫瘤免疫反應，并且通過細胞毒性T淋巴細胞相關蛋白4(cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4，CTLA-4)檢查點阻斷可對遠處腫瘤進行抑制，此策略具有強大的長期免疫記憶效應，可防止腫瘤的再次發生。Wang等[15]以UCNPs為載體，吲哚菁綠(indocyanine green，ICG)作為光吸收劑，孟加拉玫瑰紅(rose bengal，RB)作為光敏劑，脂質分子作為抗原捕獲劑，合成了一種NIR觸發的抗原捕獲納米體系。該納米系統在NIR激光照射下產生ROS，誘導免疫原性細胞死亡(immunogenic cell death，ICD)的發生和釋放腫瘤來源的特異性抗原(tumor-derived protein antigens，TDPAs)。此外，TDPAs可被該納米體系原位捕獲和保留來增強全身抗腫瘤特異性免疫應答，改善了外加佐劑所存在的局限性，可安全有效治療轉移性腫瘤。

腫瘤疫苗的具體機制是腫瘤細胞可以被宿主免疫系統識別和清除，接種疫苗可增加免疫細胞對腫瘤抗原的識別，從而觸發抗腫瘤免疫。介孔二氧化硅納米顆粒(mesoporous silica nanoparticles，MSNs)是一種基于二氧化硅的納米材料，具有尺寸可調、生物相容性好、易于表面修飾以及良好的化學和熱穩定性等優點。MSNs負載的疫苗由于體積小，可以內化到抗原提呈細胞中以提供抗原，多用于制備腫瘤疫苗[16]。Xu等[17]將多種新抗原肽、CpG寡核苷酸和Ce6共同負載到可生物降解的介孔二氧化硅納米顆粒體系。該納米體系一方面可解決傳統的二氧化硅因在器官長期滯留而導致慢性組織損傷的問題；另一方面抗原肽能偶聯在可生物降解的介孔二氧化硅納米顆粒上與佐劑共同組裝成納米疫苗。在660 nm近紅外激光照射下，光敏劑產生ROS殺傷腫瘤細胞，誘導強烈的抗腫瘤免疫反應。金納米顆粒是一種具有生物惰性和較強塑性的材料，具有獨特的光學特性[18]。Xie等[19]構建了佐劑單磷酸脂質A(monophosphoryl lipid A，MPLA)脂質雙層包膜和光敏劑ICG負載在金納米籠(gold nanocages，AuNCs)的納米體系，用于侵襲性黑色素瘤的免疫原性光療。AuNCs可保護ICG免受光降解，并且納米體系中的光敏劑可使黑色素瘤對PDT更加敏感。該復合體系在NIR光照射下可觸發光熱治療(photothermal therapy，PTT)和PDT聯合治療(PTT/PDT)來破壞原發腫瘤，原位釋放的MPLA可引起更強大的抗腫瘤免疫反應來抑制黑色素瘤的轉移和復發。

在腫瘤形成過程中存在較多免疫檢查點，特別是因為免疫檢查點的存在使腫瘤信息無法傳遞給幼稚T淋巴細胞，使幼稚T淋巴細胞不能活化成為成熟T淋巴細胞，被認為是腫瘤細胞逃避免疫監視的因素之一[20]。Lu等[21]設計了一個光激活ROS響應納米平臺(M-IR820/αCD47@NP)。利用ROS響應的連接劑將人血清白蛋白和抗CD47抗體(αCD47)構建成單個納米顆粒，然后通過基質金屬蛋白酶敏感肽與光敏劑IR820綴合，在所得納米粒子表面有聚乙二醇修飾。當暴露于808 nm(NIR)光照射時，該納米平臺可產生ROS，觸發納米粒子解離，釋放αCD47和IR820。再次利用808 nm光照射后，可有效地完成光療并誘導腫瘤細胞的ICD。M-IR820/αCD47@NP通過結合光療可改善CD47阻斷免疫療法的低免疫原性的缺點。作為一種氧化還原活性納米材料，納米二氧化錳(manganese dioxide，MnO2)具有很強的氧化能力、優異的催化活性和良好的生物降解性等許多優良性能，被廣泛應用于生物醫學領域，特別是在調節腫瘤微環境(tumor microenvironment，TME)方面。Liu等[22]構建了Mn@CaCO3/ICG納米顆粒，并將細胞程序性死亡-配體1(programmed death-ligand 1，PD-L1)為靶點的siRNA通過靜電相互作用加載到Mn@CaCO3/ICG上。該納米材料在808 nm光的照射下，可在腫瘤微環境中產生氧氣，并顯著緩解因TME中乏氧而導致療效低的難題。此外，通過降低PD-L1的表達實現阻斷免疫逃避通路，進一步激活腫瘤免疫系統，顯著提高抗腫瘤效率。

納米級金屬-有機框架(nanoscale metal-organic frameworks，nMOFs)具有高度的可調性和良好的生物相容性，可通過外部能量刺激或內源性觸發器激活產生ROS，用于腫瘤細胞的免疫原性細胞死亡[23]。Zeng等[24]設計了一種聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)修飾的基于苯并卟啉的金屬有機框架(the benzoporphyrin-based metal-organic framework， TBP-MOF)，TBP-MOF可作為低氧腫瘤微環境下的有效PDT藥物。利用TBP-MOF作為光敏劑的特性，結合NIR熒光成像進行PDT可避免產生光毒性。在660 nm光的照射下可促進單線態氧的生成，并通過沉默PD-L1刺激趨化因子的表達改善PDT介導的免疫應答。

3 基于光激活納米顆粒的免疫療法與光熱療法的協同策略

PTT由于其無創性、時空可控性和副作用小而備受關注，將PTT與免疫療法相結合，克服了單一PTT無法根除具有轉移和復發腫瘤的問題。金納米顆粒(gold nanoparticle，AuNPs)是PTT的主要介質，具有以下特點：①生物相容性好；②直徑小，在全身給藥時能夠穿透腫瘤；③可用于附著所需分子的簡單金-硫醇生物偶聯化學；④高效的光熱轉換效率；⑤吸收NIR光的能力。Cao等[25]開發了一種基于透明質酸(hyaluronic acid，HA)和卵清蛋白(ovalbumin，OVA)抗原裝飾的AuNPs即HA-OVA-AuNPs疫苗，使用NIR照射進行光熱控制細胞質抗原的遞送，并且誘導抗原特異性CD8+T細胞反應。HAOVA-AuNPs納米疫苗表現出增強的NIR吸收和熱能轉換效率，在NIR的照射下有效激發光熱效應的同時產生ROS，增加了主要組織相容性復合體Ⅰ類誘導的細胞毒性T淋巴細胞(cytotoxic T lymphocyte，CTL)反應，改善了傳統納米疫苗不利于CD8+T細胞激活的缺點。Liu等[26]將金納米棒(gold nanorods，AuNRs)與兩親性的polyTLR7/8a和MMP-2敏感的R9-PEG共價偶聯形成一個新納米體系(AuNRs-IMQDR9-PEG)。AuNRs-IMQD-R9-PEG具有穩定的光熱性能，在NIR激光照射下產生熱量激活PTT反應，一般情況下PTT引起的腫瘤局部溫度升高使腫瘤微環境中TAAs的釋放減少，但AuNRs-IMDQ-R9納米系統可有效釋放TAA。捕獲TAA的納米系統形成了納米疫苗，可以增加樹突狀細胞的活化和成熟，并引發了強大的抗腫瘤T細胞反應。Tang等[27]設計了基于一種超分子陽離子金納米棒的納米系統，不僅可以作為載體傳遞具有熱休克啟動子(heat-shock-promoter，HSP)的PD-L1的CRISPR/Cas9基因，而且吸收近紅外第二窗口(the second near-infrared optical window，NIR-II)光轉化為溫和的熱療來誘導ICD的發生和Cas9的基因表達。在NIR-Ⅱ光的照射下，將CRISPR/Cas9傳遞到腫瘤細胞中誘導PD-L1的基因編輯使PD-L1基因破壞，實現將免疫抑制性腫瘤微環境編程為免疫活性微環境來增強免疫檢查點抑制劑(immune checkpoint blockade，ICB)治療。Liu等[28]制備了一種新的納米復合體系(GNPs-siRNA)，將聚(4-苯二烯磺酸鈉)(poly sodium 4-styrenesulfonate，PSS)和聚-二烯丙基二甲基氯化銨(poly-diallyldimethylammonium chloride，PDADMAC)包被的GNPs(gold nanoprisms)作為hPD-L1siRNA傳遞的載體，其中GNPs可作為PTT的熱療劑。修飾后的GNPs具有良好的相容性，在663 nm的激光照射下GNPs-hPD-L1 siRNA不僅可以下調hPD-L1的表達，還可以利用光聲成像(photoacoustic imaging，PAI)和PTT實現抗腫瘤免疫。

自1985年首次發現富勒烯以來，已經揭示了各種形狀的碳基納米材料，例如石墨烯、碳納米管(carbon nanotubes，CNTs)、氧化石墨烯(graphene oxide，GO)和碳量子點等。納米材料石墨烯可以有效地激活巨噬細胞并產生免疫因子，從而改善機體的免疫反應。Deng等[29]使用GO與PEG作為光熱材料在巨噬細胞中誘導加熱效應，從而起到抗腫瘤作用。GO-PEG(GP)表現出良好的光熱效應、熱穩定性和生物相容性，在NIR的照射下可以緩解白細胞介素4(interleukin-4，IL-4)誘導的巨噬細胞M2極化并調節其抗腫瘤能力，有助于在小鼠模型中抑制骨肉瘤的生長。CNTs是一維管型富勒烯，可以根據石墨層的數量分為單壁納米管(single-walled carbon nanotube，SWNTs)和多壁納米管(multi-walled carbon nanotubes，MWNTs)[30]。Li等[31]利用新型免疫佐劑糖化殼聚糖(glycated chitosan，GC)修飾SWNT，制備了一個新的納米平臺SWNT-GC。該納米平臺通過靶向作用實現腫瘤內給藥來治療原發性腫瘤，再使用1 064 nm激光照射增強抗細胞毒性T淋巴細胞相關抗原-4(cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4，CTLA-4)檢查點阻斷治療和利用PTT實現局部消融，誘導全身抗腫瘤免疫，在轉移性乳腺癌治療上有很好的療效。

4 基于光激活納米顆粒的免疫療法與化療的協同策略

化療是目前臨床癌癥治療的主要治療方式之一，通過使用化療藥物防止癌細胞生長，分裂和增殖。眾所周知，目前使用的化療藥物存在選擇性較低，靶向性差等局限性，會造成局部或全身毒副作用。利用納米材料負載化療藥物可以延長循環時間，提高水溶性以及遞送到特定靶點減少藥物的副作用。

有研究表明，雖然GO在給藥后會在人體內長期存在，但它們不會對機體造成明顯的毒性。Zhou等[32]開發了一種新的納米系統，是通過將化療藥物米托蒽醌(mitoxantrone，MTX)和轉化 生 長 因 子β(transforming growth factor-β，TGF-β)抑制 劑SB-431542加載到還原氧化石墨烯(reduced graphene oxide，rGO)上構建的。還原氧化石墨烯作為免疫佐劑形成原位疫苗接種，還可作為化療藥物的載體和光熱劑通過抑制調節性T細胞(regulatory cells，Tregs)來改善腫瘤微環境。rGO/MTX/SB與激光照射相結合后，通過原位疫苗接種和改善免疫抑制微環境實現了協同化療-免疫-光熱效應，從而提高治療腫瘤的效果。

Feng等[33]報道了一種用于免疫治療的光誘導納米物(light-inducible nanocargo，LINC)，由光敏劑脫鎂葉綠酸A(photosensitizer pheophorbide A，PPa)和吲哚胺2,3-雙加氧酶1(indoleamine 2,3-dioxygenase 1，IDO-1)抑制劑(即NLG919)的還原反應異二聚體和奧沙利鉑(oxaliplatin，OXA)的光激活前藥組成。在熒光成像的引導下進行兩次NIR照射，通過靜脈注射的LINC積累在腫瘤部位并產生NIR熒光信號，在第一波近紅外激光照射下誘導ROS生成，促進了其深度滲透。當暴露于第二波NIR激光照射時，發生PDT，并聯合化療藥物OXA誘導腫瘤細胞的ICD，產生有效的誘導免疫反應。該策略既可以避免腫瘤內直接注射所具有的擴散差的缺點，又可以通過傳遞NLG919來逆轉免疫抑制性腫瘤微環境，從而促進ICD來增強抗腫瘤治療的效果。

5 小結與展望

近年來，光響應的納米材料廣泛應用于癌癥免疫治療，本綜述討論了光激活納米材料的最新進展及其在抗腫瘤免疫治療中的應用。隨著納米技術的進步，納米材料在腫瘤免疫治療中的應用日益引起重視。但是目前臨床上基于光激活治療的療效受限于紫外及可見光的低穿透性，使光激活成像或治療陷入困境。為了實現更深的組織穿透能力，低能量長波長的NIR光是一個不錯的選擇。NIR頻帶為更深入地穿透生物組織提供了一個光學窗口。上轉換納米粒子等材料具有獨特的能力，可通過連續吸收兩個或多個低能光子將NIR光有效地轉換為紫外線或可見光，可實現與紫外或可見光相同的目標。雖然具有更深的組織穿透，但實際臨床應用仍存在挑戰。光活化納米材料的毒性也是所有納米材料普遍存在的問題。迄今為止，對光活化納米材料的研究主要集中在新的光激活策略構建，對材料的代謝和毒性認識尚不夠深入，應用時還必須考慮光活化納米材料在臨床應用中的潛在風險，如全身毒性、清除的復雜性以及對人體的長期影響。而且，用于納米材料探索的動物模型多限于小動物，極少使用大型動物進行研究。此外，材料的合成標準、藥物的負載量、在生理環境中的溶解度、如何有效保存以及業界共識等，也是納米材料臨床應用的障礙。由于腫瘤發生的機制因人而異，單一的免疫療法可能無法達到令人滿意的抗腫瘤治療效果，協同免疫治療或成為抗腫瘤的策略之一。將不同的治療機制和不同的材料以合理、協同的方式組合在同一納米系統中以實現高效的協同免疫治療也是一個巨大的挑戰。以上問題可能會激發未來對光激活納米材料開發和改進的探索，為未來患者的抗腫瘤免疫治療提供更好的機會。盡管光激活納米材料在抗腫瘤免疫方面還存在一些問題，但依然為未來的抗腫瘤治療提供了很好的策略。