新型纳米结构重塑人体肿瘤免疫“防线”

转自：中国科学报

免疫检查点阻断（ICB）是一种重要的癌症治疗方法，遗憾的是，该疗法的应答率偏低。即少数对ICB产生应答的患者疗效显著，但另一部分患者却难以凑效。因此，如何提高ICB治疗应答率就成为问题的关键。

近日，国家纳米科学中心研究员王海、聂广军团队和重庆医科大学教授冉海涛团队合作，开发了3种金属离子配位的苯丙氨酸纳米结构。这种新型结构能有效重塑肿瘤的免疫抑制微环境，从而显著提高ICB治疗应答率，并拓宽了肿瘤免疫治疗适用范围。相关研究成果发表于《自然—纳米技术》。

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激活两条免疫“防线”

“ICB疗法的基本机制是激活免疫系统。”王海告诉《中国科学报》，“人体有两条免疫‘防线’，第一防线是先天性免疫系统，它能直接清除外来病原体，防止细菌、病毒侵染人体。当先天性免疫系统失效时，人体会启动第二防线——适应性免疫系统。在这种情况下，白细胞和T细胞（一种淋巴细胞）等会增强免疫反应，参与清除外来物。这个机制为理解免疫检查点阻断疗法提供了重要背景。”

免疫系统对保护人体健康发挥着重要作用。但“狡猾”的肿瘤细胞能利用程序性死亡受体与其配体的结合，从而逃脱宿主的免疫杀伤。因此，程序性死亡受体及其配体被称为“免疫检查点”。

ICB疗法通过抑制程序性死亡受体与配体的结合，从而提高宿主免疫系统对肿瘤细胞的识别和攻击能力。过去十多年，人们一直在寻找激活免疫应答方法。通过大量研究和实验，科学家发现两种主要的激活模式：病原体相关分子模式和损伤相关分子模式，但激活效率并不理想。因此，寻找新的激活机制成为当前研究的重点。

“这项研究的创新之处是探索了一种新的激活模式：通过金属离子调控免疫功能。”王海说。

研究团队通过合成镁、铁、锌三种离子和苯丙氨酸配位的纳米结构，改变免疫细胞的离子通道孔径，激活该通道并促进钾离子外流，进而导致钙离子内流，并诱导相关的免疫信号通路，改善肿瘤免疫抑制的微环境。

“更巧的是，该激活模式能同时改善先天性免疫和适应性免疫两道防护系统。”王海说，“这一方面能改善免疫微环境，另一方面也提高了适应性免疫能力，促进特异性杀伤细胞攻击肿瘤细胞。”

审稿人对此研究给予肯定，认为其开发的自组装金属纳米结构能够显著改变树突状细胞的电生理特性，且体外细胞实验和体内动物模型很好地验证了相关分子机制，进一步证明这些纳米结构在解决抑制性肿瘤微环境和协同免疫检查点阻断治疗方面的潜在应用。

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头脑被一句话“点亮”

2018年，王海在阅读一篇综述文章时，目光被文中一句话吸引：免疫细胞的功能和金属离子进入密切相关。

“能否通过金属离子去调控细胞的免疫应答。”王海回忆说，“因为当时一直在思考免疫调控方面的问题，这句话让我瞬间产生一个念头，感觉头脑被突然‘点亮’。”

有了这样的想法后，王海和团队成员讨论过几次，大家都觉得想法可行，应该尝试一下。

该研究的关键是金属离子通道调控，一开始，团队设计了大量实验，将金属离子递送到细胞内，尝试调控树突细胞的钾离子、钙离子进出。

“当时我们花了很多时间调研文献，也做了大量实验。”王海说，“尽管人们可以通过一些药物抑制金属离子进出细胞，却缺乏有效的手段来激活这些通道。”

实验中，研究人员发现某些金属离子有一定的调控作用，但并未达到理想状态。同时，他们了解到，癌症化疗临床中，曾使用营养控制方式促进免疫治疗效果。将这些想法联系起来，研究人员决定通过金属离子和纳米结构结合的方式，用增强营养来强化免疫激活效果。

因此，用不同金属粒子和不同氨基酸进行组装（排列组合），并验证其能否打开离子通道就成为该研究的第二个关键点。

在失败中“拨云见日”

2019年年初，王海开始带领团队筛选金属粒子和氨基酸结合的纳米结构，但挫折总是如影随形。

研究人员将金属离子和氨基酸进行排列组合，形成纳米结构并逐一验证其效果。但测试验证一种组合，从准备到实验完成就需要两三天。金属离子很多，氨基酸种类也很多，这种不断排列、配对、组合、试错的过程又“吃掉”了团队大量时间。

“我们在研究中，绝大多数实验都看不到效果，因此只能不辞辛苦地一次次尝试。”王海说，“实验进行了大半年，仍旧是一无所获。”

功夫不负有心人。2019年底，研究团队在实验中，先后通过将镁离子、亚铁离子和锌离子与L-苯丙氨酸配位，制备出3种纳米结构。

有意思的是，这3种金属离子形成的纳米结构虽然相继被发现，其形状却完全不同。其中镁离子结构（Ph-Mg）是球状的，亚铁离子（Ph-Fe）呈棒状，锌离子（Ph-Zn）结构则是片状的。实验发现，3种纳米结构均能看到激活树突状细胞膜上钾离子通道的效果。

“我们基本上是同时在3种结构上看到激活效果。”该论文共同第一作者、国家纳米科学中心联合培养的博士毕业生谭米肖说，“当时真有种拨云见日的感觉，觉得这个事情可以继续做下去了。”

进一步研究中，他们发现这些纳米结构可以通过胞饮作用（物质进入活细胞膜内的主动运输形式）和小窝蛋白（一种蛋白质）介导的内吞作用进入细胞内。计算机模拟表明，这些纳米结构会以金属离子螯合的二聚体形式释放。螯合的二聚体与钾离子通道特殊域结合，导致期其整体结构发生相变，孔径扩大，通道加宽，从而激活钾离子通道。随着钾离子的外流和钙离子流入，激活了钙调素调节的特殊信号通路，促进树突细胞成熟并触发促炎细胞因子分泌。

此外，研究团队还发现，营养限制还可以增强树突细胞对纳米材料的摄取，并进一步增强通路活性。

“我们在小动物水平上进行的实验发现，ICB治疗应答率显著提升。”王海坦言，“目前文章虽然已经发表，我们也在积极向应用推进，但该研究和临床应用还有距离，而且往前走的难度会更大。”

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01758-3

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