JACS | 苏州大学开发新型纳米探针！可靶向PD-L1并诱导铁死亡，为肿瘤放射治疗提供新视角

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　　Highlights

1. 开发了一种新型的Fe3O4-αPD-L1纳米探针，靶向表达PD-L1的MDSCs

　　

2. Fe3O4-αPD-L1纳米探针与放射治疗的联合应用，展现出抗肿瘤效果

　　

近日，“Journal of the American Chemical Society”（IF=14.4）上发表了一篇题为“Radiotherapy-Driven Nanoprobes Targeting for Visualizing Tumor Infiltration Dynamics and Inducing Ferroptosis in Myeloid-Derived Suppressor Cells”的文章。这篇文章主要研究了一种新型的抗PD-L1抗体偶联的铁氧化物纳米探针（Fe3O4-αPD-L1），它能够靶向并诱导髓系来源的抑制细胞发生铁死亡，从而减轻放射治疗的抗性

　　

研究背景介绍

　　MDSCs是一种免疫抑制性的骨髓来源细胞，在肿瘤微环境中积累，并能够抑制T细胞的免疫反应，从而对肿瘤放射治疗和免疫治疗的效果产生负面影响。

　　放射治疗（RT）是一种利用辐射来破坏肿瘤细胞DNA，从而抑制肿瘤生长和杀死肿瘤细胞的治疗方法。

　　程序性死亡配体1（PD-L1）是一种主要在细胞表面表达的蛋白质，它通过与其受体PD-1结合来抑制T细胞的活性。在肿瘤微环境中，PD-L1的高表达与免疫逃逸有关。

　

研究思路分析

　　研究技术路线图

 

01纳米探针的设计与合成

　　

①研究4T1乳腺癌小鼠模型中用X射线照射（IR）前后不同肿瘤浸润细胞类型上PD-L1的表达情况。发现照射后MDSCs上的PD-L1表达显著增加，而在其他肿瘤浸润细胞类型上未观察到明显变化。表明，PD-L1在MDSCs表面的高表达可以作为纳米探针特异性递送的理想靶点。

　　

②通过将Fe3O4纳米颗粒与双磷酸酸和马来酰亚胺改性的聚乙二醇（DP-PEG-Mal）结合，增加了其亲水性和可修饰性，并进一步与抗PD-L1抗体（αPD-L1）结合，构建了Fe3O4-αPD-L1纳米探针。该探针具有均匀的球形结构、稳定性和负表面电荷。

　　

③从小鼠骨髓细胞中产生MDSCs评估Fe3O4-αPD-L1纳米探针在体外靶向MDSCs的能力。实验显示，MDSCs对Fe3O4-αPD-L1纳米探针的摄取随时间增加，且在照射后摄取量进一步增加。

　　

④此外，通过共聚焦显微镜观察到纳米探针被MDSCs内化并在溶酶体中定位，且使用αPD-L1阻断后摄取显著减少，证实了PD-L1/αPD-L1介导的内吞作用。表明Fe3O4-αPD-L1纳米探针能够通过PD-L1受体与MDSCs特异性结合并内化到细胞内。

　　

02纳米探针的生物学效应

　　

①将Fe3O4纳米粒子与人工溶酶体液体（ALF）混合并监测T1信号。结果显示，随时间推移，T1信号逐渐增强，而水中分散的Fe3O4纳米粒子的T1信号强度保持稳定。这表明Fe3O4纳米粒子在溶酶体内可以解离，释放更多的Fe(II)，增强T1加权磁共振信号。

　　

②将Fe3O4-αPD-L1纳米探针与MDSCs共培养24小时后进行IR，发现Fe3O4-αPD-L1纳米探针单独处理或IR单独处理均可增加ROS水平，而两者结合处理诱导的ROS水平最高。

　　

③通过共聚焦显微镜和特定检测·OH的探针HPF，证实了·OH水平的增加。此外，使用铁螯合剂去铁胺预处理可显著减少·OH的产生，进一步证实了铁离子在MDSCs中的Fenton反应。此外，观察到经Fe3O4-αPD-L1纳米探针和IR处理的MDSCs中，细胞内抗氧化剂谷胱甘肽（GSH）水平最低，这与ROS水平升高一致，表明了氧化应激导致的还原平衡失调。

　　

④蛋白质组学分析显示，与ROS升高相关的蛋白在Fe3O4-αPD-L1、IR和IR+Fe3O4-αPD-L1组中被识别。且TEM观察到，Fe3O4-αPD-L1纳米探针与IR结合治疗显著破坏了MDSCs的线粒体形态，表现为线粒体膜电位严重去极化和线粒体形态的改变。此外，研究发现结合治疗显著降低了Nrf2的mRNA水平，下调了GPX4表达，上调ACSL4表达。证实MDSCs中铁死亡途径被激活。

　　

03纳米探针的体内靶向与治疗效果

　　

①在体内研究Fe3O4-αPD-L1纳米探针与RT结合的抗肿瘤效果。结果显示，照射3天后，肿瘤部位MR T1信号最明显，表明PD-L1表达达到高峰。此外， PET/CT成像显示，Fe3O4-αPD-L1纳米探针能够到达肿瘤中心，而Fe3O4纳米颗粒主要积聚在肿瘤外围，且前者的肿瘤靶向能力优于后者。而Fe3O4-αPD-L1纳米探针在肝脏和肾脏中被代谢。流式细胞术和免疫荧光染色进一步证实，纳米探针主要与肿瘤内的MDSCs共定位，表明它们具有针对MDSCs的高靶向特异性。

　　

②对4T1肿瘤小鼠在不同的时间点注射PBS、αPD-L1、Fe3O4或Fe3O4-αPD-L1纳米探针。结果显示，Fe3O4-αPD-L1纳米探针与放疗结合的小鼠生存时间最长。病理学检查显示，联合治疗组的肿瘤组织中存在大量坏死细胞和结构扭曲。H&E染色显示肺部组织中几乎没有转移结节。此外，联合治疗后血清中分泌PD-L1的水平降低，IL-1β和IL-27等促炎细胞因子的水平增加，表明这种联合治疗能够有效重编程肿瘤免疫抑制微环境并促进局部和全身抗肿瘤免疫。

　　

③在结肠癌小鼠模型中，联合治疗小鼠存活时间显著多于对照组，且平均和个体肿瘤体积显著低于对照组。非靶向代谢组学分析结果显示，IR + Fe3O4-αPD-L1组与Fe3O4-αPD-L1组和IR + αPD-L1组的差异代谢物主要与脂质代谢和氨基酸代谢相关，特别是与铁死亡相关的不饱和脂肪酸和抗氧化代谢物的变化。而在加入铁死亡抑制剂DFO后，显著减弱了肿瘤抑制效果。此外，使用流式细胞术调查肿瘤中的MDSCs数量，发现加入DFO显著抑制了铁死亡对减少MDSCs数量的影响，证实了MDSCs铁死亡在肿瘤消退中的作用。

　　图1. 针对MDSCs的治疗方案纳米探针的工程化

　　图2. Fe3O4-αPD-L1纳米探针有效靶向MDSCs并诱导活性氧的产生

　　图3. 不同处理后MDSCs的无标记数据依赖采集（DDA）蛋白质组学分析

　　图4. Fe3O4-αPD-L1纳米探针与X射线照射联合诱导的MDSCs铁死亡

　　图5. Fe3O4-αPD-L1纳米探针在体内有效靶向MDSCs

　　图6. 纳米探针与X射线照射联合在4T1乳腺癌模型中的治疗效果

　　图7. 联合治疗在结肠癌模型中的抗肿瘤效果

　　图8.abstract

 

　　

结论与讨论

　　本文研究显示Fe3O4-αPD-L1纳米探针与RT联合治疗策略能有效诱导MDSCs的铁死亡，显著抑制肿瘤生长，并通过代谢组学分析揭示了与铁死亡相关的代谢途径紊乱。研究结果表明，这种联合治疗方法在结直肠癌和乳腺癌模型中都具有良好的抗肿瘤效果和生物安全性，为肿瘤治疗提供了新的策略。

　　尽管Fe3O4-αPD-L1纳米探针在肿瘤治疗中展现出潜力，但未来研究仍需进一步探索和优化MDSCs的靶向和调节方法，以提高治疗效果。此外，研究还应关注如何增强纳米探针的肿瘤特异性，减少对正常细胞的影响，并进一步研究铁死亡在肿瘤免疫微环境中的作用机制。

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