芝加哥大学林文斌团队：MOF诱导的白细胞样结构 | NSR

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50%的癌症患者会在疗程中接受放疗以抑制或根除肿瘤。然而，放疗主要被应用于局部组织器官的治疗，不能针对癌症的远端转移。此外，复发性和转移性肿瘤通常会表现出耐放射性表型，从而降低放疗对这些肿瘤的效果。在过去三十年中，研究人员投入了大量的努力寻找增敏剂以增强放疗的效果。高原子序数（high-Z）的纳米放射增敏剂作为其中一员，其自身在通常条件下无细胞毒性，而在X-射线或γ-射线等高能射线下可以通过吸收更多的辐射能量来增强放疗的效果。尽管纳米放射增敏材料在临床前研究中能显著增强放疗介导的细胞杀伤效果，但这类材料尚未被美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于临床。这可能归因于放疗在复杂的肿瘤微环境中的免疫抑制特性。放疗通常因在肿瘤微环境中招募髓样抑制细胞、上调NF-κB通路以及耗竭淋巴细胞而诱导免疫抑制性肿瘤微环境，从而阻止了患者的免疫系统攻击肿瘤细胞。

近年来，鉴于已有放射增敏剂的局限性，林文斌团队开发了一系列纳米尺度的金属-有机框架（nMOFs）作为无毒且高效的纳米放射增敏剂。这些nMOFs通过独特的放射治疗-放射动力治疗（RT-RDT）机制，能引发癌细胞的免疫原性细胞死亡，并与免疫激动剂及免疫检查点抑制剂协同作用，有效调节肿瘤免疫微环境和抑制原位肿瘤。然而，nMOFs介导的肿瘤微环境调节的详细机制仍待研究，包括nMOF在肿瘤中的分布、免疫调节路径及RT-RDT治疗后的长期免疫效应。

为进一步探究这些问题，林文斌团队研发了一种高效纳米放射增敏剂GA-MOF，通过将MOF与干扰素基因刺激因子（STING）激动剂2',3'-环状鸟苷酸-腺苷酸（GA）结合，促进放射治疗和免疫治疗的协同效应。GA与MOF的次级结构单元（SBU）的配位作用不仅延长了GA在肿瘤中的滞留时间，还增强了瘤内STING通路的激活。GA-MOF在大小鼠模型中未表现出毒性，并在结合低剂量放疗时，在结肠癌、胰腺癌和头颈癌模型中显示出良好的抗癌效果。研究还发现，肿瘤内注射GA-MOF后，在肿瘤中形成了富含免疫细胞的结节（人造白细胞样结构，ALS）。低剂量放疗使这些ALS成为肿瘤中的免疫刺激热点，从而促进抗肿瘤免疫。在进一步结合免疫检查点阻断治疗后，GA-MOF不仅能实现局部癌症的清除，还通过激活全身性免疫而抑制了远端肿瘤的生长。

GA-MOF的合成是通过MOF的SBU上的Hf与STING激动剂GA的磷酸基团配位偶联实现的（图1a）。GA-MOF可以提高GA的细胞内摄取，并使得体外实验中STING激活效率提高了3.0倍（图1b）。在体内，GA-MOF显著延长了GA在肿瘤中的驻留时间，在7天内使肿瘤中GA的总留存量增加了3.0倍（图1c）。GA-MOF诱导瘤内免疫细胞的浸润，包括中性粒细胞、巨噬细胞和单核细胞等先天免疫细胞，它们在注射GA-MOF的位置形成围绕的结节，类似于人工制造的白细胞结构（图1d–f）。

图1. a) GA-MOF示意图。b) GA-MOF体外增强STING激活。c) GA-MOF延长GA于肿瘤中的滞留时间。d–f) GA-MOF 形成人造白细胞样结构ALS。

GA-MOF联合放疗在皮下MC38、CT26、Panc02和SCC7小鼠模型中均具有优异的抗肿瘤效果（图2a-d）。同等条件下，GA小分子联合放疗在四个肿瘤模型中的肿瘤生长抑制（TGI）仅为53%–64%，而GA-MOF联合放疗极大地增强了抗肿瘤效果，TGI值为82%–98%。流式免疫分析证明GA-MOF联合放疗的肿瘤中树突细胞（DCs）的浸润量超过9倍，MHCII和CD45的上调及初始T细胞标志的下调表明GA-MOF放疗增强了抗原呈递和T细胞成熟（图2e）。通过从SCC7肿瘤提取mRNA进行NanoString基因组分析（GSA，图2f），作者发现GA-MOF联合放疗在先天和适应性免疫反应上评分高于对照组，其中包括上调了IFN、促炎因子、与吞噬相关的转运功能、抗原处理和呈递以及DC、巨噬细胞和T/B细胞激活。这表明GA-MOF联合放疗诱导肿瘤内部免疫热点，并与STING激活及RT-RDT协同作用，促进局部肿瘤消退并改善了原先免疫抑制性的肿瘤微环境。

图2. a) GA-MOF放疗抑制原位肿瘤生长并改善肿瘤微环境。a–d)不同治疗组下皮下MC38、CT26、Panc02和SCC7肿瘤的生长曲线。e）GA-MOF放疗增强肿瘤中先天免疫细胞浸润。f）NanoString GSA分析显示GA-MOF放疗活化肿瘤免疫微环境。

GA-MOF联合放疗激活的免疫系统和改善的抗原呈递为与免疫检查点抑制剂（ICB）联合治疗提供了极佳的条件。作者通过治疗双边CT26肿瘤模型发现GA-MOF放疗联合单克隆抗PD-L1抗体（αPD-L1）不仅进一步抑制了原位肿瘤的生长（TGI>98%），而且使得未进行任何治疗的远端肿瘤得到生长控制（TGI>66%，图3a，b）。通过流式免疫细胞分析，GA-MOF联合放疗增强了适应性免疫细胞的肿瘤内浸润，特别是记忆T细胞、CD8⁺细胞毒性T细胞和NK T细胞（图3c，d）。GA-MOF介导的放疗联合αPD-L1进一步增强了全身免疫反应，在远处肿瘤中增加了效应T细胞和记忆T细胞。在该组的原位和远端肿瘤中，调节性T细胞（Treg）的减少表明有更活跃的T细胞依赖的抗肿瘤效果。这一结果支持了ICB协同GA-MOF介导的放疗以激活T细胞从而产生全身抗肿瘤效应。

图3. GA-MOF放疗联合免疫检查点抑制剂实现全身免疫应答并抑制远端肿瘤生长。

图4. GA-MOF药理机制示意：原位肿瘤注射的GA-MOF吸引吞噬细胞和抗原呈递细胞的浸润，同时持续释放GA激活局部TME中的STING。MOF介导的RT-RDT诱导癌细胞的免疫细胞死亡，以暴露肿瘤相关抗原进行抗原处理和呈递。在GA-MOF放疗后，远端未经治疗的肿瘤也表现出活跃的免疫浸润和特异性免疫反应。

综上所述，该研究设计了一个可同时激活STING和增强放射敏感性的双功能纳米平台。GA-MOF延长了GA在肿瘤中的驻留时间，并引发了强烈和持续的STING激活。GA-MOF形成了富含免疫细胞的人造白细胞样结构ALS。ALS在X射线照射下转变为免疫热点，并极大地改善了免疫抑制性肿瘤微环境，并在四种肿瘤模型中展示了良好的局部肿瘤控制效果。进一步与免疫检查点抑制剂的结合引发了强烈的远端效应，将这种局部肿瘤控制扩展到了全身性的抗肿瘤免疫应答。nMOF代表了一类特殊的纳米制剂，不仅可以增强放射治疗，还具有诱导ALS的能力并提供了一种独特的免疫细胞浸润机制。这种策略表现出卓越的抗肿瘤效果，显著提高了抗原呈递的效率，具有在癌症疫苗开发领域实现突破的巨大潜力。