Nat Nanotechnol | 上海药物所李亞平课题组构建T淋巴细胞膜修饰干扰素表观遗传纳米诱导剂改善肿瘤免疫治疗

  北京时间2021年9月27日,中國科學院上海药物研究所李亞平课题组以“T lymphocyte membrane-decorated epigenetic nanoinducer of interferons for cancer immunotherapy”为题在国际顶级期刊Nature Nanotechnology在線發表了工程化T淋巴細胞膜修飾幹擾素(IFN)表觀遺傳納米誘導劑改善腫瘤免疫治療的最新研究成果。該團隊創造性地設計構建了一種“精准遞送+智能釋藥一體化”的仿生納米囊泡,揭示了該納米遞藥系統的作用機理,取得了腫瘤特異性IFN誘導並同時克服免疫耐受的重大突破。
  免疫療法是腫瘤治療領域的革命性進展,腫瘤內I型IFN的水平與包括結腸癌、黑色素瘤和三陰性乳腺癌等在內的多種腫瘤預後密切相關。雖然目前臨床上可以通過注射重組人IFN提高其瘤內水平,但其腫瘤靶向性差、療效低,而且易産生明顯的全身免疫毒性。化療藥物、分子靶向藥物以及表觀遺傳藥物雖然也能一定程度上誘導腫瘤內IFN表達,但由于特異性差,效果並不理想,特別是瘤內IFN的上調會不可避免地誘導多種免疫檢查點分子表達,促使腫瘤發生免疫逃逸進而産生免疫耐受。因此,如何選擇性提高瘤內IFN等免疫分子水平,並同時克服其誘導的免疫耐受,是腫瘤免疫治療領域亟待解決的一個重大科學問題。
  针对上述临床重大需求,上海药物所张鹏程研究员、李亞平研究员团队首先通过基因工程技术构建了高表达程序性死亡受体-1(PD1)的T细胞,并获得该工程化细胞的膜囊;随后用其包裹负载赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶1(LSD1)抑制剂ORY-1001的白蛋白纳米粒; 最后以还原敏感穿膜肽M70对其进行表面修饰获得表观遗传调控纳米囊泡(OPEN)(图1A)。静脉注射后,OPEN通过受配体(PD1/PDL1)的识别,主动靶向递送ORY-1001至表达PDL1的肿瘤细胞,在胞内谷光甘肽酶(GSH)的作用下快速释放ORY-1001,上调IFN表达, 促进抗原递呈细胞(APCs)活化和抗原呈递, 活化细胞毒性T淋巴细胞(CTLs),增加肿瘤微环境内T细胞浸润,同时阻断原有以及IFN上调的多种免疫检查点配体介导的免疫逃逸(图1B)。 
  研究數據顯示,OPEN能特異性靶向腫瘤,高效誘導瘤內IFN分泌,上調腫瘤細胞PDL1和主要組織相容性複合體-I(MHC-I)等的表達,並進一步促進OPEN攝取,産生自增強效應,將瘤中CTLs浸潤增加了29倍,顯著降低ORY-1001的免疫副作用(圖1C),在動物模型上有效抑制三陰性乳腺癌、黑色素瘤或結腸癌的生長(圖1D)。該研究開拓了精准遞送+智能釋藥一體化技術調控表觀遺傳、克服免疫耐受、改善腫瘤免疫治療的新方向,爲提高包括IFN在內的兼具抗癌活性和促進免疫逃逸的活性分子療效以及降低其免疫副作用提供了新思路。
  上海药物所博士研究生翟艺慧和上海交通大学仁济医院博士研究生王金名为该論文第一作者,上海药物所李亞平研究员和张鹏程研究员为論文共同通讯作者。上海交通大学朱鹤研究员,国家蛋白质科学中心(上海)于洋研究员和王研科工程师,中科环渤海(烟台)药物高等研究院和烟台药物所荣荣博士、孔颖工程师,上海药物所博士后郎天群及研究生蔡颖、冉伟、熊凤琴和郑超等参与相关研究工作,该工作还得到了上海交通大学邓刘福研究员和上海药物所王江研究员的帮助。研究工作同时得到了国家自然科学基金、中國科學院青年创新促进会和山东省自然科学基金的支持。
  
图1:(A). PD1过表达CTLL-2细胞的构建和负载ORY-1001纳米囊泡(OPEN)的制备。(B). OPEN被肿瘤细胞PDL1识别并入胞,上调IFN表达,增加肿瘤微环境内T细胞浸润并促进CTL活化,同时阻断PDL1介导的免疫逃逸。(C). OPEN特异性靶向肿瘤,显著上调瘤内IFN表达,促进抗原递呈,提高肿瘤中细胞毒性T细胞浸润并有效解除ORY-1001造成的免疫抑制。(D). OPEN显著抑制乳腺癌和黑色素瘤的生长。
  原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41565-021-00972-7
專家點評1: 郝希山 
中國工程院院士 腫瘤治療學專家
 
  表觀遺傳失調是誘發腫瘤發生發展的關鍵因素之一,但其作用機制仍不十分清楚。最近有研究表明,基因組內反轉錄因子的激活是表觀遺傳調節劑發揮抗腫瘤活性的一個重要機制,反轉錄因子的轉錄將導致dsRNA的胞內累積,進而結合並刺激模式識別受體,觸發I型IFN的産生。腫瘤微環境(TME)中的IFN自分泌和旁分泌信號可進一步促進其他多種促炎因子和趨化因子的分泌,增加抗原呈遞和免疫細胞浸潤,提高免疫療法抗腫瘤的效果。然而,促炎因子可同時誘導多重免疫檢查點上調,造成腫瘤細胞免疫逃逸,進而限制表觀遺傳調節劑的抗腫瘤活性。表觀遺傳療法存在的另一個大問題是藥物對腫瘤的選擇性差,表觀遺傳藥物作用靶點廣泛,脫靶效應易産生副作用,如骨髓抑制、中樞神經毒性等,即使與化療、放療、分子靶向治療和免疫治療結合,仍難以避免兩種遊離藥物聯合使用引起的副作用,所以亟需開發更合理的用法及靶向策略。
  最近,中科院上海药物研究所李亞平团队报道了一种表观遗传与免疫疗法结合新策略:他们构建了一种基因工程化T淋巴细胞膜包载的仿生表观遗传调控纳米粒,显著提高了表观遗传药物的特异性。他们将LSD1的抑制剂(ORY-1001)包载到过表达PD1的T淋巴细胞膜囊泡中获得一种仿生纳米载药系统(OPEN),OPEN能特异性识别肿瘤细胞表面的PDL1,实现ORY-1001的靶向递送,促进单甲基化和二甲基化H3K4的累积。释放的ORY-1001上调IFN和下游干扰素刺激基因的表达(如MHC-I和PDL1)。MHC-I的上调可增加抗原递呈,促进T淋巴细胞对肿瘤细胞的识别,而上调的PDL1则被OPEN结合并中和。与游离的ORY-1001相比,OPEN可显著增加瘤内药物聚集,减少静脉注射后药物在肝脏的暴露,显著降低ORY-1001的副作用。肿瘤内的ORY-1001通过促进DC细胞熟化、细胞毒T淋巴细胞的增殖和肿瘤细胞抗原展示,重塑肿瘤免疫微环境(由“冷”到“热”)。在多种肿瘤动物模型中,OPEN也均显著抑制肿瘤的生长,延长小鼠的生存期。
  該工作首次將表觀遺傳藥物仿生納米化並與免疫療法相結合,實現了表觀遺傳藥物的腫瘤靶向遞送和免疫檢查點阻斷效應,成功解決了表觀遺傳療法的特異性差和效果具有兩面性二大關鍵難題,是表觀遺傳療法與免疫療法有效結合治療腫瘤的一個重大進展。
  點評原文鏈接:http://www.cancerbiomed.org/index.php/cocr/article/view/1921
專家點評2: 趙宇亮
 
中國科學院院士 國家納米科學中心主任 Nano Today主编
  免疫檢查點阻斷(ICB)和過繼細胞免疫療法是癌症治療領域的革命性進展,在抑制腫瘤生長和預防複發方面具有極大臨床價值,但目前癌症免疫治療仍面臨幾個重大挑戰,如響應率低,腫瘤T淋巴細胞浸潤少易導致嚴重免疫相關不良反應等。納米遞藥系統由于具有靶向遞送、共遞送和藥物釋放時空可控等特性,已引起生物醫學領域的廣泛關注。
  中科院上海药物所李亞平团队长期致力于纳米递药系统(NDDS)在癌症免疫治疗领域的研究,他们提出了精准递送+智能释药一体化的载体设计新理念,取得了诸多开创性成果,如将纳米化抗体和光疗结合提高了ICB疗法的效果和安全性;构建共载BRD4抑制剂和光敏剂的水凝胶疫苗,有效抑制癌症的复发和转移等。
  最近,他们构建了一种新的表观遗传纳米诱导剂,在癌症免疫治疗方面取得了重大突破。LSD1的缺失将导致I型IFN和干扰素刺激基因(ISG)的上调,进而激活先天性和获得性免疫。然而,IFN通路激活导致多种免疫检查点上调而产生的肿瘤免疫耐受仍是目前癌症免疫治疗面临的一个主要问题。李亞平和合作者将LSD1抑制剂(ORY-1001)包载到PD1过表达的工程化T淋巴细胞膜囊中,构建了一种新型表观遗传免疫纳米调节剂OPEN。OPEN经静脉注射后可被PDL1过表达的肿瘤细胞主动识别并内吞,在胞内GSH作用下,ORY-1001快速释放后激活IFN信号通路,上调MHC-I和PDL1,促进肿瘤细胞抗原展示和DC抗原提呈,增加细胞毒T淋巴细胞的瘤内浸润,上调的PDL1可增强OPEN的识别和内吞,进一步促进IFN分泌的同时阻断多重免疫检查点的抑制作用。实验结果显示:OPEN可使肿瘤浸润细胞毒T淋巴细胞增加29倍,并对三阴性乳腺癌、黑色素瘤、结肠癌等多种肿瘤的生长具有很好的抑制作用。
  該研究工作首次報道NDDS運載表觀遺傳藥物並與免疫療法相結合,克服免疫耐受,提高了表觀遺傳調控的特異性和免疫療法的效果,具有顯著的原創性和獨特性:首先,由于表觀遺傳調節劑的靶點在體內普遍存在,遊離形式的表觀遺傳調控藥物往往具有系統性副作用(如骨髓抑制、中樞神經毒性等),OPEN顯著提高了表觀遺傳治療的特異性,增加了瘤內藥物的富集,降低了藥物副作用;其次,通過基因工程方法構建的T淋巴細胞膜過表達多種免疫檢查點受體,在提高OPEN靶向性時,還降低IFN信號通路激活帶來的免疫檢查點上調産生的副作用;另外,OPEN可自動補充腫瘤細胞上PDL1等多種免疫檢查點配體,避免其消耗引起的脫敏,使OPEN實現可持續特異性累積。該研究將表觀遺傳藥物促進多種免疫檢查點表達的副作用巧妙地轉化爲腫瘤特異性靶點,成功解決了表觀遺傳藥物具有的兩面性難題,是采用NDDS提高癌症免疫療法效果和安全性的一個裏程碑式新進展。
  點評原文鏈接:https://doi.org/10.1007/s11426-021-1108-0
(供稿部門:制劑研究中心;供稿人:張鵬程)