田 甜,王經(jīng)國(guó),查正寶,王 華,3
(1. 安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院腫瘤科,安徽 合肥 230032;2.合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;3.安徽醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)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(jìn)展,但它仍然是對(duì)健康的最大威脅之一。機(jī)體因免疫耐受,不能進(jìn)行正常的免疫應(yīng)答,從而促進(jìn)腫瘤的發(fā)生。免疫療法是利用患者自身免疫系統(tǒng)對(duì)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(tǒng),殺死腫瘤細(xì)胞,長(zhǎng)期抑制腫瘤生長(zhǎng)和復(fù)發(fā)。但免疫療法需要反復(fù)大劑量注射,治療反應(yīng)的個(gè)體差異大、免疫應(yīng)答效率低。因此免疫治療多與其他治療聯(lián)合應(yīng)用,產(chǎn)生協(xié)同作用。與單一治療相比,聯(lián)合治療能極大促進(jìn)抗原釋放并具有持久的療效。免疫治療與其他治療聯(lián)合應(yīng)用將成為極具潛力的新治療策略。然而,腫瘤生長(zhǎng)的明顯特征之一是生成雜亂而無(wú)功能特性的血管[1],使得藥物不能順暢地通過(guò)血流到達(dá)腫瘤部位。只有小部分靜脈給藥的藥物可以到達(dá)實(shí)質(zhì)靶標(biāo),而剩余的循環(huán)藥物可能損害正常組織。因此藥物的輸送變得復(fù)雜,導(dǎo)致療效有限。
為了克服上述缺點(diǎn),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(xù)藥物輸送載體引起了人們的關(guān)注,因其在原位腫瘤藥物輸送方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),與全身藥物輸送系統(tǒng)相比,具有良好的注射能力和微創(chuàng)的給藥方法??梢栽谀[瘤部位同時(shí)輸送多種抗癌藥物,保持相對(duì)較高藥物濃度并減少全身毒性副作用。該文對(duì)近幾年水凝膠免疫治療與其他治療的聯(lián)合應(yīng)用進(jìn)行了綜述,并對(duì)其發(fā)展進(jìn)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.
水凝膠是親水性網(wǎng)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(jié)構(gòu),可將藥物包裹其中,增強(qiáng)藥物療效,降低不良反應(yīng)[2]。多種天然材料可合成水凝膠,如透明質(zhì)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(xué)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。水凝膠定位在注射針可以到達(dá)的任何地方,與手術(shù)植入相比,是一種更簡(jiǎn)單且侵入性更小的手術(shù)。避免了組織損傷和炎性傷口反應(yīng)相關(guān)的并發(fā)癥[3]。它可以移動(dòng)和流動(dòng),在形成持久植入物之前可用于任何可用空間,因此廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)生物領(lǐng)域。它可以作為運(yùn)輸載體包裹藥物和細(xì)胞,促進(jìn)傷口愈合,制造各種類型的功能性組織結(jié)構(gòu)以及用于醫(yī)療器械領(lǐng)域。
2.1 用于化療與免疫治療聯(lián)合治療化療和免疫治療的協(xié)同作用增強(qiáng)了化療的抗腫瘤作用,這種聯(lián)合治療引起了人們的極大關(guān)注[4]。越來(lái)越多的證據(jù)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(dǎo)細(xì)胞毒性作用,還調(diào)節(jié)腫瘤免疫,包括增強(qiáng)腫瘤抗原表達(dá)、抑制調(diào)節(jié)性細(xì)胞和誘導(dǎo)免疫原性細(xì)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(diǎn):如高頻率注射、代謝速度快、藥物利用率低、副作用嚴(yán)重等,所以治療往往伴隨著嚴(yán)重的副作用和生活質(zhì)量的下降。為了增強(qiáng)免疫治療的效果,擴(kuò)大現(xiàn)有化療的療效,探索免疫治療與化學(xué)治療的聯(lián)合治療是十分必要的。
2.1.1免疫檢查點(diǎn)抑制劑 癌細(xì)胞利用免疫檢查點(diǎn)(immune checkpoint blockade,ICB)引起T細(xì)胞功能障礙,導(dǎo)致免疫逃避,在多種類型實(shí)體瘤的癌癥患者中免疫檢查點(diǎn)阻斷顯著延長(zhǎng)了患者的生存期[6],然而仍有一些問(wèn)題亟待解決,例如只有少數(shù)患者對(duì)于免疫檢查點(diǎn)阻斷治療起效[7],免疫檢查點(diǎn)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(shí)活性不大,但與免疫治療結(jié)合會(huì)增強(qiáng)抗癌作用。因此研究旨在增強(qiáng)腫瘤免疫原性表型、增加ICB反應(yīng)和避免嚴(yán)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(shù)GEM在1 d內(nèi)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(xì)胞募集以及阻斷M2巨噬細(xì)胞分化。因此,該水凝膠不僅可以控制藥物釋放,還可以充當(dāng)活性氧的清除劑以提高治療功效,增強(qiáng)免疫原性腫瘤表型,抑制切除后腫瘤復(fù)發(fā)。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(jié)合后注射到體內(nèi),通過(guò)體溫形成凝膠,形成一個(gè)藥物緩釋系統(tǒng),并通過(guò)清除腫瘤部位的活性氧來(lái)改善T細(xì)胞的數(shù)量,減輕免疫抑制性腫瘤微環(huán)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(xì)胞活化和通過(guò)犬尿氨酸途徑催化色氨酸降解誘導(dǎo)腫瘤免疫耐受。因此聯(lián)合aPD-1和D-1MT可以增強(qiáng)黑色素瘤的治療功效。Ruan等[11]設(shè)計(jì)了能夠響應(yīng)腫瘤微環(huán)境內(nèi)的酸性pH和活性氧的雙生物響應(yīng)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(yīng)性水凝膠中。增強(qiáng)抗原呈遞細(xì)胞捕獲腫瘤抗原,有效誘導(dǎo)全身抗腫瘤免疫應(yīng)答。CD47 抗體一直被喻為腫瘤免疫領(lǐng)域的“明日之星”。Chen等[12]將預(yù)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(shù)傷口中的H+,CaCO3納米粒子可以在酸性腫瘤微環(huán)境中逐漸溶解和釋放包封的aCD47,從而促進(jìn)M1型巨噬細(xì)胞的激活,通過(guò)阻斷CD47和信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白-α相互作用以及誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞對(duì)癌細(xì)胞的吞噬作用,同時(shí)減少aCD47全身給藥相關(guān)的毒性作用。
將免疫檢查點(diǎn)抑制劑封裝到水凝膠,不僅可以提高免疫治療反應(yīng),還可以增強(qiáng)靶向效應(yīng),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(diǎn)位置。
2.1.2免疫細(xì)胞和細(xì)胞因子
2.1.2.1 免疫細(xì)胞 免疫細(xì)胞包括T細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞(natural killer cell,NK)和樹(shù)突細(xì)胞(dendritic cell,DC),免疫細(xì)胞在腫瘤監(jiān)測(cè)中起著重要作用。化療藥物和細(xì)胞因子的持續(xù)釋放有助于長(zhǎng)期的抗腫瘤治療。由于樹(shù)突細(xì)胞是調(diào)節(jié)T細(xì)胞免疫的關(guān)鍵因素,因此樹(shù)突細(xì)胞在腫瘤疫苗和過(guò)繼轉(zhuǎn)移治療中的應(yīng)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(xì)胞,通過(guò)離體的腫瘤特異性抗原分離和激活再次輸注回患者體內(nèi)。但大多數(shù)的移植DC很快死亡,只有少數(shù)可以回到淋巴組織中[13],為了解決這個(gè)問(wèn)題,Yang等[14]將樹(shù)突細(xì)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(gè)疫苗結(jié)節(jié)。經(jīng)皮下注射后,疫苗結(jié)節(jié)維持了樹(shù)突細(xì)胞的活性和生物學(xué)功能,并刺激抗原特異性效應(yīng)T細(xì)胞的活化??筆D-1抗體聯(lián)合應(yīng)用進(jìn)一步增強(qiáng)抗腫瘤CD8+T細(xì)胞免疫應(yīng)答。同樣Song等[15]合成由腫瘤細(xì)胞裂解物,TLR3激動(dòng)劑,和多肽水凝膠組成的疫苗制劑可促進(jìn)樹(shù)突細(xì)胞的成熟,提高了抗腫瘤活性。除了靶向樹(shù)突細(xì)胞的腫瘤疫苗,針對(duì)M1巨噬細(xì)胞作用的水凝膠疫苗同樣會(huì)產(chǎn)生有效的免疫治療。M1巨噬細(xì)胞可顯著導(dǎo)致體內(nèi)腫瘤消退。但是其產(chǎn)生急性炎癥反應(yīng)導(dǎo)致小鼠死亡。并且直接注射方法使免疫細(xì)胞不能保存在腫瘤部位。Guerra等[16]用水凝膠包埋M1巨噬細(xì)胞上調(diào)白細(xì)胞介素-6,硝酸鹽和腫瘤壞死因子α,促進(jìn)半胱氨酸蛋白酶誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。M1水凝膠與對(duì)照組相比,顯著降低肝癌細(xì)胞的存活率。癌癥治療的主要目的是根除原發(fā)性腫瘤,控制轉(zhuǎn)移,預(yù)防腫瘤復(fù)發(fā)。Jin等[17]開(kāi)發(fā)了一種載有阿霉素的蜂毒肽-RADA32復(fù)合肽水凝膠(melittin-RADA32-DOX,MRD),使用單劑量注射MRD水凝膠,抑制原發(fā)性黑色素瘤腫瘤的生長(zhǎng),同時(shí)激活自然殺傷細(xì)胞和引流淋巴結(jié)的樹(shù)突狀細(xì)胞,特異性消耗M2樣腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞,并產(chǎn)生活性細(xì)胞毒性T細(xì)胞,MRD水凝膠的多劑量注射消除了50%的原發(fā)性腫瘤,并且在根除原發(fā)腫瘤后達(dá)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(xì)胞,增強(qiáng)了腫瘤疫苗免疫原性。由于腫瘤抗原的低表達(dá)和突變,免疫細(xì)胞通常不能識(shí)別腫瘤細(xì)胞并將其呈遞給效應(yīng)細(xì)胞。通過(guò)利用水凝膠包裹免疫細(xì)胞可以克服腫瘤的低免疫原性和低抗原致敏性,實(shí)現(xiàn)持久的全身免疫。
2.1.2.2 細(xì)胞因子 細(xì)胞因子作為免疫系統(tǒng)的重要組成部分之一,在腫瘤抑制中起著關(guān)鍵作用,它能刺激免疫細(xì)胞增殖和分泌炎癥細(xì)胞因子殺死癌細(xì)胞。
白細(xì)胞介素-2(interleukin-2,IL-2)是調(diào)節(jié)T細(xì)胞、B細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞增殖和分化的重要細(xì)胞因子。 Song等[19]設(shè)計(jì)了由殼聚糖、兩種帶相反電荷的殼聚糖衍生物構(gòu)成的納米凝膠,用紅細(xì)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(dǎo)鈣網(wǎng)蛋白暴露,從而激活樹(shù)突細(xì)胞吞噬作用,抑制調(diào)節(jié)細(xì)胞,增強(qiáng)抗腫瘤免疫。Wu等[20]制備了包裹白細(xì)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(nèi)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(dǎo)CD8+T細(xì)胞和NK細(xì)胞增多,雙藥物水凝膠顯示出協(xié)同抗癌效果。因此,研究結(jié)果表明細(xì)胞因子聯(lián)合化療是抗腫瘤免疫治療的一個(gè)重要發(fā)展方向。水凝膠可作為一種生物支架,將細(xì)胞因子釋放到周圍環(huán)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(chuàng)新性的解決辦法解決傳統(tǒng)免疫療法中的局限問(wèn)題, 具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
2.2 用于免疫治療和放療聯(lián)合治療利用放射性同位素破壞腫瘤的放射治療已廣泛應(yīng)用于臨床癌癥治療,放療可誘導(dǎo)癌細(xì)胞的免疫原性,免疫治療聯(lián)合放療不僅可提高放療局部療效,同時(shí)也增強(qiáng)了遠(yuǎn)位的抗腫瘤效應(yīng)。放射性同位素會(huì)對(duì)正常組織產(chǎn)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(tái)用于放療與免疫治療聯(lián)合治療。
Chao等[21]用海藻酸鈉、過(guò)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(shí),可溶性多糖海藻酸鈉可與內(nèi)源性Ca2+交聯(lián)迅速轉(zhuǎn)化為水凝膠,將131I-Cat固定在腫瘤內(nèi)。將放射性同位素標(biāo)記的酶與免疫佐劑一起局部捕獲在腫瘤內(nèi),從而使得放療增強(qiáng)了局部腫瘤殺傷效力。在局部放療與細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)蛋白-4檢查點(diǎn)阻斷聯(lián)合治療后,協(xié)同消除遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移性腫瘤,并且增強(qiáng)治療小鼠長(zhǎng)期免疫記憶效應(yīng)。上述研究表明,利用水凝膠運(yùn)載藥物輔助放療,可以減少放療對(duì)機(jī)體的損害。
2.3 用于光熱療法,光動(dòng)力療法與免疫療法聯(lián)合治療光熱療法是一種新興的無(wú)創(chuàng)和遠(yuǎn)程可控治療方式,可以利用光熱劑迅速將光轉(zhuǎn)換為局部熱量,并通過(guò)提高腫瘤區(qū)域的溫度來(lái)使腫瘤消退。光熱療法比化療和放療更有顯著的優(yōu)勢(shì),它具有優(yōu)越的局部效應(yīng)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(lián)合應(yīng)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(jīng)手術(shù)去除腫瘤細(xì)胞膜的黑磷量子點(diǎn)納米囊泡(black phosphorus quantum dot nanovesicles,BPQD-CCNVs),并將其裝入含有粒細(xì)胞-巨噬細(xì)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(zhuǎn)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(jié)合PD-1抗體可顯著消除殘留和轉(zhuǎn)移的癌細(xì)胞。從患者切除的腫瘤形成基于癌細(xì)胞膜的疫苗,可提供豐富的自體腫瘤抗原,保護(hù)BPQD免于體外降解。因此,該治療策略對(duì)癌癥的個(gè)性化治療產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。早期非轉(zhuǎn)移性實(shí)體瘤主要治療方式是外科手術(shù)切除。然而,殘留的微小腫瘤或循環(huán)腫瘤細(xì)胞在術(shù)后數(shù)月或數(shù)年內(nèi)可能導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。Wang等[23]設(shè)計(jì)了一種癌癥疫苗(personalized cancer vaccine,PVAX)用于術(shù)后免疫治療。PVAX是通過(guò)用水凝膠基質(zhì)包裹JQ1和吲哚菁綠。808 nm近紅外激光照射激活PVAX,促進(jìn)樹(shù)突狀細(xì)胞成熟,誘導(dǎo)細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化,顯著抑制腫瘤復(fù)發(fā)。PVAX同時(shí)增強(qiáng)患者特異性免疫應(yīng)答和阻斷PD-L1依賴性免疫逃避有效預(yù)防術(shù)后腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。Wang等[24]設(shè)計(jì)了一種用于巨噬細(xì)胞免疫調(diào)節(jié)的3D細(xì)胞外基質(zhì)光響應(yīng)透明質(zhì)酸水凝膠納米復(fù)合物,該水凝膠可以激活巨噬細(xì)胞的αvβ3整合素,并且αvβ3整合素激活可以增強(qiáng)抗炎M2巨噬細(xì)胞極化。光響應(yīng)水凝膠在不同波長(zhǎng)的照射下實(shí)現(xiàn)按需釋放治療劑量,啟動(dòng)腫瘤特異性免疫應(yīng)答,引起了持久的免疫記憶效應(yīng),并且不會(huì)對(duì)正常器官造成病理?yè)p傷。
光動(dòng)力療法(photodynamic therapy,PDT)通過(guò)光敏劑在光照下產(chǎn)生ROS來(lái)殺死腫瘤細(xì)胞,是一種腫瘤局部治療方法。光動(dòng)力治療后的免疫反應(yīng)不足以有效消除遺留在體內(nèi)的癌細(xì)胞。為了引發(fā)強(qiáng)大的抗腫瘤免疫反應(yīng),通常需要聯(lián)合免疫治療增強(qiáng)免疫原性。
Meng等[25]設(shè)計(jì)了一種光觸發(fā)原位凝膠系統(tǒng),由Ce6光敏劑,過(guò)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(nèi)源性H2O2分解產(chǎn)生O2緩解腫瘤缺氧,從而提高PDT功效。進(jìn)一步與抗細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)蛋白-4檢查點(diǎn)阻斷聯(lián)合治療,不僅有效抑制遠(yuǎn)處腫瘤的生長(zhǎng),而且對(duì)再次復(fù)發(fā)的腫瘤提供長(zhǎng)期免疫記憶保護(hù)。因此,通過(guò)注射光觸發(fā)原位凝膠系統(tǒng)可以極大增強(qiáng)免疫療法。
免疫治療和生物材料的聯(lián)合應(yīng)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(fā)和癌癥免疫治療領(lǐng)域都以驚人的速度發(fā)展,每年都出現(xiàn)新的材料和臨床試驗(yàn)。盡管聯(lián)合治療方法增強(qiáng)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(tái)的設(shè)計(jì)中應(yīng)仔細(xì)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(shù),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(tái)是可以定制的,以更精確的方式增加效應(yīng)免疫細(xì)胞的活性,以滿足各種藥物或細(xì)胞療法的化學(xué)或生物需求。隨著水凝膠的深入研究,免疫治療和其他聯(lián)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。