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金属离子螯合L-苯丙氨酸纳米结构用来增强免疫检查点阻断疗效

BCML速递 · 公众号 · · 2024-10-31 23:24

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免疫疗法在癌症治疗中取得了革命性进展，尤其是针对 PD-1/PD-L1 信号通路的免疫检查点阻断（ ICB ）疗法，在多种癌症中展现了显著的临床效果。然而，由于肿瘤微环境（ TME ）的免疫抑制特性，许多患者未能从 ICB 疗法中获得持久益处。为了逆转这种免疫抑制，研究人员正在探索调节 TME 的方法，以激活而非抑制免疫反应。在这一领域，国家纳米科学中心的王海、聂广军和重庆医科大学的冉海涛研究团队开发了一种金属离子螯合 L- 酪氨酸纳米结构，这种纳米结构通过电生理调节作用激活树突状细胞（ DCs ），进而激活 NLRP3 炎症体和 NF- κ B 信号通路。并通过结合短期饥饿（ STS ）疗法，这种纳米材料不仅能增强细胞对它的摄取，还能显著提升对肿瘤的免疫反应，为提高 ICB 疗法效果提供了新策略。这一研究为癌症治疗领域带来了新的希望，可能显著影响未来的治疗策略。

首先作者通过示意图展示了金属离子螯合 L- 酪氨酸（ L-Phe ）纳米结构激活树突状细胞（ DC ）的机制。这些纳米结构，包括与 Zn² ⁺ 、 Fe² ⁺ 或 Mg² ⁺ 离子螯合形成的纳米球（ Ph-Mg ）、纳米针（ Ph-Fe ）和纳米片（ Ph-Zn ），通过与 DC 表面的氨基酸转运体结合进入细胞。在细胞内部，这些纳米结构在酸性环境下不稳定并解体，引发钾离子（ K ⁺ ）通过钾通道 Kv1.3 流出，导致细胞膜去极化。这一连串事件激活了 NLRP3 炎症体，促进了 cathepsin B 释放和 pro-IL-1β 分泌，同时促进了 Ca² ⁺ 内流。 Ca² ⁺ 内流进一步激活了钙调蛋白（ CaM ）依赖的 NF-κB 信号通路，包括 IκBα 的磷酸化（ pIκBα ）和降解，使得 p65 亚单位进入细胞核，促进炎症细胞因子的转录和分泌。此外，短期饥饿（ STS ）治疗通过上调氨基酸转运体表达增强了纳米结构的细胞摄取，增加了其在淋巴结和肿瘤中的传递，促进了 DC 成熟和活化，激活了肿瘤特异性的细胞毒性 T 淋巴细胞（ CTL ）反应。这表明，利用金属离子螯合纳米结构激活 DCs 的成熟，可能有助于提高基于 PD-1 或 PD-L1 的免疫疗法的效果。

接着作者展示了金属离子螯合 L- 酪氨酸（ L-Phe ）纳米结构的自组装和特性。首先通过示意图描述了 Mg ²⁺ 、 Fe ²⁺ 或 Zn ²⁺ 离子与 L-Phe 自组装形成纳米球（ Ph-Mg ）、纳米针（ Ph-Fe ）和纳米片（ Ph-Zn ）的过程（图 2 a ）。并通过透射电镜、扫描电镜和能量色散 X 射线展示了这些纳米结构的形态以及对其中的元素进行了表征，而动态光散射图则显示了纳米结构在水溶液中的水动力学尺寸分布和稳定性（图 2 b-d ）。

接着作者研究了金属离子螯合 L- 酪氨酸纳米结构处理的骨髓树突状细胞 (BMDCs) 的基因表达和信号通路激活情况。其中的花瓣图展示了所有检测到的 18,697 个基因，并指出了各处理组特异表达的基因数量（图 3a ）。并通过火山图进一步揭示了 Ph-Zn+S 处理组与对照组 +S ，以及短期饥饿处理的 BMDCs 与未处理对照组之间的差异表达基因（图 3b-c ）。表达水平变化的主要基因类别包括钾通道、钙通道、炎症体、趋化因子和泛素化等（图 3d ）。随后通过条形图显示了 Ph-Zn+S 组与 Ctrl+S 组在 KEGG 通路富集分析中的差异，凸显了炎症相关通路的显著变化（图 3e ）。基因富集分析条形图确认了炎症相关通路的改变，尤其是 NLRP3 炎症小体组装和 NF- κ B 信号通路的激活（图 3f ）。

接下来作者细阐述了金属离子螯合 L- 酪氨酸纳米结构对 BMDC 激活的影响。通过电生理学实验表明，这些纳米结构能显著增强 BMDC 中的 Kv1.3 电流（图 4a-b ），而 Western blot 结果显示 NLRP3 和 caspase-1 的表达增加，揭示了 NLRP3 炎症体的激活（图 4c ）。此外，不同处理组 BMDC 分泌 IL-1 β的水平上升，进一步证实了炎症体的激活，其中 Ph-Zn 组的增加最为显著（图 4d ）。共聚焦显微镜图像显示了炎症体激活和 NF- κ B 信号通路激活的细胞内变化，包括 cathepsin B 的重新分布和细胞内钙离子浓度的变化（图 4e-f ）。最终，通过检测 BMDCs 中 MHC-I 、 CD40 、 CD80 和 CD86 的表达，研究者们发现这些分子的表达增加，表明纳米结构处理促进了 DC 的成熟（图 4j ）。

接下来研究人员通过分子动力学探索了 L-Phe 二聚体与钾通道 Kv1.3 的相互作用及其对通道功能的影响。首先展示了小鼠 Kv1.3 的结构，以及金属离子螯合 L-Phe 二聚体与 Kv1.3 跨膜螺旋区的结合位点（图 5 a ）。并且描述了这些二聚体如何与 Kv1.3 的特定结构域结合，导致 Kv1.3 通道的构象变化，其中 Zn ²⁺ 螯合的 L-Phe 二聚体显示出对 Kv1.3 影响最大的结合能（图 5 b ）。同时也展示了结合金属离子螯合 L-Phe 二聚体后， Kv1.3 跨膜螺旋区的构象变化，这些变化激活了 K ⁺ 离子孔，可能导致 K ⁺ 离子流的改变（图 5 c ）。最后阐释了 Kv1.3 离子通道选择性滤波器区域的氨基酸残基 TVGYG 之间的距离变化，这些细微的变化对于维持离子通道的活性和选择性至关重要（图 5 d ）。

最后作者研究了 L-Phe 二聚体结构在增强 ICB 疗法中的体内效果。首先给出了小鼠的治疗计划表，包括短期饥饿 (STS) 处理和纳米结构以及抗 PD-1 抗体的给药（图 6 a ）。小鼠在 STS 处理期间体重有所下降，但很快恢复（图 6 b ）。肿瘤的生长曲线显示，与单独治疗相比，特定纳米结构特别是 Ph-Zn 纳米片与抗 PD-1 抗体的联合使用显著抑制了肿瘤生长（图 6 c ）。在不同处理组中肿瘤组织的 H&E 染色图像展示了 Ph-Zn 纳米片联合抗 PD-1 抗体和 STS 治疗组的肿瘤组织中出现明显的坏死区域（图 6 d ），而 TUNEL 染色和 PCNA 免疫染色展示了治疗组中凋亡细胞的增多和增殖细胞的减少（图 6 e-f ）。在 Ph-Zn 纳米片联合治疗组肿瘤中 IL-1 β分泌的显著增加，表明了有效的炎症反应和免疫激活（图 6 g ）。最后的 Western blot 印迹分析证实了 NF- κ B 信号通路在治疗组中的激活，这对于免疫细胞的激活和肿瘤抑制至关重要（图 6 h ）。

综上本研究成功合成了具有不同形状的金属离子螯合 L-Phe 纳米结构，并通过协调驱动的自组装方法实现。这些纳米结构的形状显著影响了 DC 中的摄取，其中 Ph-Zn 纳米片显示出最高的细胞内化效率，从而有效调节了 Kv1.3 电流，并更能激活 NLRP3 炎症体和钙介导的 NF- κ B 信号通路。短期饥饿 (STS) 处理通过氨基酸转运体促进了纳米结构的细胞摄取，并增强了纳米结构在淋巴结中的传递。结果表明， Ph-Zn 纳米片与抗 PD-1 抗体 (aPD1) 的联合使用有效地逆转了免疫抑制的肿瘤微环境 (TME) ，并在两种肿瘤模型中抑制了肿瘤生长。总之，本研究通过调节离子流动激活免疫细胞，为癌症的免疫疗法提供了新的思路。

论文信息： Tan M, Cao G, Wang R, Cheng L, Huang W, Yin Y, Ma H, Ho SH, Wang Z, Zhu M, Ran H, Nie G, Wang H. Metal-ion-chelating phenylalanine nanostructures reverse immune dysfunction and sensitize breast tumour to immune checkpoint blockade. Nat Nanotechnol. 2024 Aug 26. doi: 10.1038/s41565-024-01758-3

供稿：陆凯

审校：陈嵩

编辑：季威