光激活纳米材料用于肿瘤免疫治疗的研究进展

许伟喆，王 芳，褚洪迁，

(1．北京市结核病胸部肿瘤研究所耐药结核病研究北京市重点实验室，北京 101149；2．首都医科大学附属北京胸科医院转化医学研究室，北京 101149)

迄今为止，癌症仍是威胁人类健康的主要因素。目前临床上癌症的主要治疗方式是手术、化疗和放疗，但这些治疗方式存在较大缺陷，如手术的风险和创伤、非特异性化疗药物产生的严重毒副作用以及放疗产生的辐射影响正常细胞生长[1]。因此，许多新型的治疗策略应用于临床实验，包括免疫治疗、基因治疗和光疗等，其中免疫疗法受到了广泛的关注[2]。

癌症免疫治疗是通过激活或者增强宿主的免疫反应，实现跟踪、杀伤和清除癌细胞。免疫治疗的优点在于其不仅可以消除局部转移性肿瘤，还可通过长期的免疫记忆防止肿瘤复发[3]。目前，已有多种癌症免疫治疗策略应用于临床研究，如癌症疫苗[4]、免疫检查点封锁治疗[5]、嵌合抗原受体T细胞免疫疗法(chimeric antigen receptor T-cell immunotherapy，CART)[6]等。但是，目前的免疫疗法也存在不足，经常引起免疫相关不良反应事件，包括脱靶效应、变态反应、细胞因子风暴等[7]。虽然目前靶向治疗药物不断出现，但仍然面临着应用群体有限和效果不理想的难题。

随着纳米科学的不断发展，纳米技术的应用已成为医学科学领域的一种趋势。纳米材料是一类粒径小于100 nm或者粒径为100 nm～1μm并表现出纳米颗粒性质的材料。纳米材料不仅可以通过高渗透滞留效应(enhanced permeability and retention，EPR)靶向肿瘤，还可通过表面修饰将一种或多种药物、抗体、免疫调节剂或功能分子高效递送到肿瘤部位，实现富集、调节局部免疫和改善免疫抑制微环境，从而提高肿瘤免疫治疗的效果[8]。目前，刺激响应性纳米材料特别是借助外源性光激活的纳米材料引起了较大关注。光是控制生命过程中常见的物质，其中紫外光(ultraviolet light，UV)或可见光的穿透力弱，光毒性较大，而近红外(near infrared，NIR)光的穿透能力更强，应用前景更广泛[9]，因此，光控纳米材料在肿瘤免疫治疗领域具有较好的应用潜力。将载有药物的纳米材料注射进体内，经过一定时间在肿瘤部位的蓄积，对肿瘤部位进行光照可实现肿瘤局部的免疫激活。图1展示了部分光控无机纳米材料在肿瘤免疫治疗(photoimmunotherapy，PIT)中的应用[10]。本文主要概述了光控激活的纳米材料在肿瘤免疫治疗中的研究现状及进展。

图1 无机纳米材料用于肿瘤光免疫疗法的示意图[10]

1 基于光激活纳米粒子的肿瘤免疫

光疗是一种非侵入性或微创性治疗方法，由于其在光传递中的高选择性、低创伤度以及清除靶肿瘤的有效性，为消除原发性肿瘤提供了有效的解决方案。利用光控纳米材料可以实现靶向肿瘤和通过在体外进行光照射激活纳米材料来达到远程调控抗肿瘤免疫的目的。但是目前常用的光多为UV或可见光，穿透能力弱、光毒性大，不能满足实际的临床需求。上转换纳米颗粒(upconversion nanoparticles，UCNPs)是一类独特的镧系元素掺杂光学纳米晶体，可以将两个或多个低能光子从近红外光转换为波长较短的高能紫外光[11]。Chu等[12]开发了一种光控抗肿瘤免疫治疗装置，利用UCNPs负载可紫外光切割重组胞嘧啶鸟嘌呤二核苷酸-脱氧寡核苷酸(cytidine-phosphatte-guanonine oligodeoxynucleotides，CpG ODN)。UCNPs不仅可以增加CpG ODN的细胞摄取，避免其降解，还可通过EPR效应增强CpG ODN在肿瘤部位的蓄积。材料到达肿瘤后，在肿瘤部位光照，可以实现肿瘤局部的免疫激活而不引起正常脏器的免疫反应，实现高时空精度的远程控制免疫调节活性，有效降低免疫治疗因子的系统毒性。然而，大多数癌症类型本质上具有免疫抑制性，很难用单一的免疫疗法进行控制，联合其他疗法可提高抗肿瘤免疫治疗的疗效，为临床应用转化提供新思路。

2 基于光激活纳米颗粒的免疫疗法与光动力疗法的协同策略

光动力疗法(photodynamic therapy，PDT)是通过适当波长的光激活光敏剂，瞬时产生高水平的具有细胞毒性的活性氧(reactive oxygen species，ROS)导致细胞死亡，从而起到抗肿瘤作用[13]。Xu等[14]将光敏剂二氢卟吩e6(chlorin e6，Ce6)和Toll样受体-7激动剂-咪喹莫特(R837)装载在UCNPs得到一个新的纳米体系UCNP-Ce6-R837。UCNPs具有转换近红外光的能力，该纳米系统在980 nm NIR激光照射下可突破可见光有限的穿透深度达到有效的PDT效应，破坏肿瘤和促进肿瘤相关抗原的释放，释放的肿瘤相关抗原可以协同含免疫佐剂R837的UCNPs引发抗肿瘤免疫反应。该策略的主要优点是在NIR光的照射下，纳米体系可对肿瘤进行有效的光动力，破坏肿瘤进而释放肿瘤相关抗原(tumor-associated antigen，TAA)协同纳米颗粒作为佐剂产生强大的抗肿瘤免疫反应，并且通过细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4(cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4，CTLA-4)检查点阻断可对远处肿瘤进行抑制，此策略具有强大的长期免疫记忆效应，可防止肿瘤的再次发生。Wang等[15]以UCNPs为载体，吲哚菁绿(indocyanine green，ICG)作为光吸收剂，孟加拉玫瑰红(rose bengal，RB)作为光敏剂，脂质分子作为抗原捕获剂，合成了一种NIR触发的抗原捕获纳米体系。该纳米系统在NIR激光照射下产生ROS，诱导免疫原性细胞死亡(immunogenic cell death，ICD)的发生和释放肿瘤来源的特异性抗原(tumor-derived protein antigens，TDPAs)。此外，TDPAs可被该纳米体系原位捕获和保留来增强全身抗肿瘤特异性免疫应答，改善了外加佐剂所存在的局限性，可安全有效治疗转移性肿瘤。

肿瘤疫苗的具体机制是肿瘤细胞可以被宿主免疫系统识别和清除，接种疫苗可增加免疫细胞对肿瘤抗原的识别，从而触发抗肿瘤免疫。介孔二氧化硅纳米颗粒(mesoporous silica nanoparticles，MSNs)是一种基于二氧化硅的纳米材料，具有尺寸可调、生物相容性好、易于表面修饰以及良好的化学和热稳定性等优点。MSNs负载的疫苗由于体积小，可以内化到抗原提呈细胞中以提供抗原，多用于制备肿瘤疫苗[16]。Xu等[17]将多种新抗原肽、CpG寡核苷酸和Ce6共同负载到可生物降解的介孔二氧化硅纳米颗粒体系。该纳米体系一方面可解决传统的二氧化硅因在器官长期滞留而导致慢性组织损伤的问题；另一方面抗原肽能偶联在可生物降解的介孔二氧化硅纳米颗粒上与佐剂共同组装成纳米疫苗。在660 nm近红外激光照射下，光敏剂产生ROS杀伤肿瘤细胞，诱导强烈的抗肿瘤免疫反应。金纳米颗粒是一种具有生物惰性和较强塑性的材料，具有独特的光学特性[18]。Xie等[19]构建了佐剂单磷酸脂质A(monophosphoryl lipid A，MPLA)脂质双层包膜和光敏剂ICG负载在金纳米笼(gold nanocages，AuNCs)的纳米体系，用于侵袭性黑色素瘤的免疫原性光疗。AuNCs可保护ICG免受光降解，并且纳米体系中的光敏剂可使黑色素瘤对PDT更加敏感。该复合体系在NIR光照射下可触发光热治疗(photothermal therapy，PTT)和PDT联合治疗(PTT/PDT)来破坏原发肿瘤，原位释放的MPLA可引起更强大的抗肿瘤免疫反应来抑制黑色素瘤的转移和复发。

在肿瘤形成过程中存在较多免疫检查点，特别是因为免疫检查点的存在使肿瘤信息无法传递给幼稚T淋巴细胞，使幼稚T淋巴细胞不能活化成为成熟T淋巴细胞，被认为是肿瘤细胞逃避免疫监视的因素之一[20]。Lu等[21]设计了一个光激活ROS响应纳米平台(M-IR820/αCD47@NP)。利用ROS响应的连接剂将人血清白蛋白和抗CD47抗体(αCD47)构建成单个纳米颗粒，然后通过基质金属蛋白酶敏感肽与光敏剂IR820缀合，在所得纳米粒子表面有聚乙二醇修饰。当暴露于808 nm(NIR)光照射时，该纳米平台可产生ROS，触发纳米粒子解离，释放αCD47和IR820。再次利用808 nm光照射后，可有效地完成光疗并诱导肿瘤细胞的ICD。M-IR820/αCD47@NP通过结合光疗可改善CD47阻断免疫疗法的低免疫原性的缺点。作为一种氧化还原活性纳米材料，纳米二氧化锰(manganese dioxide，MnO2)具有很强的氧化能力、优异的催化活性和良好的生物降解性等许多优良性能，被广泛应用于生物医学领域，特别是在调节肿瘤微环境(tumor microenvironment，TME)方面。Liu等[22]构建了Mn@CaCO3/ICG纳米颗粒，并将细胞程序性死亡-配体1(programmed death-ligand 1，PD-L1)为靶点的siRNA通过静电相互作用加载到Mn@CaCO3/ICG上。该纳米材料在808 nm光的照射下，可在肿瘤微环境中产生氧气，并显著缓解因TME中乏氧而导致疗效低的难题。此外，通过降低PD-L1的表达实现阻断免疫逃避通路，进一步激活肿瘤免疫系统，显著提高抗肿瘤效率。

纳米级金属-有机框架(nanoscale metal-organic frameworks，nMOFs)具有高度的可调性和良好的生物相容性，可通过外部能量刺激或内源性触发器激活产生ROS，用于肿瘤细胞的免疫原性细胞死亡[23]。Zeng等[24]设计了一种聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)修饰的基于苯并卟啉的金属有机框架(the benzoporphyrin-based metal-organic framework， TBP-MOF)，TBP-MOF可作为低氧肿瘤微环境下的有效PDT药物。利用TBP-MOF作为光敏剂的特性，结合NIR荧光成像进行PDT可避免产生光毒性。在660 nm光的照射下可促进单线态氧的生成，并通过沉默PD-L1刺激趋化因子的表达改善PDT介导的免疫应答。

3 基于光激活纳米颗粒的免疫疗法与光热疗法的协同策略

PTT由于其无创性、时空可控性和副作用小而备受关注，将PTT与免疫疗法相结合，克服了单一PTT无法根除具有转移和复发肿瘤的问题。金纳米颗粒(gold nanoparticle，AuNPs)是PTT的主要介质，具有以下特点：①生物相容性好；②直径小，在全身给药时能够穿透肿瘤；③可用于附着所需分子的简单金-硫醇生物偶联化学；④高效的光热转换效率；⑤吸收NIR光的能力。Cao等[25]开发了一种基于透明质酸(hyaluronic acid，HA)和卵清蛋白(ovalbumin，OVA)抗原装饰的AuNPs即HA-OVA-AuNPs疫苗，使用NIR照射进行光热控制细胞质抗原的递送，并且诱导抗原特异性CD8+T细胞反应。HAOVA-AuNPs纳米疫苗表现出增强的NIR吸收和热能转换效率，在NIR的照射下有效激发光热效应的同时产生ROS，增加了主要组织相容性复合体Ⅰ类诱导的细胞毒性T淋巴细胞(cytotoxic T lymphocyte，CTL)反应，改善了传统纳米疫苗不利于CD8+T细胞激活的缺点。Liu等[26]将金纳米棒(gold nanorods，AuNRs)与两亲性的polyTLR7/8a和MMP-2敏感的R9-PEG共价偶联形成一个新纳米体系(AuNRs-IMQDR9-PEG)。AuNRs-IMQD-R9-PEG具有稳定的光热性能，在NIR激光照射下产生热量激活PTT反应，一般情况下PTT引起的肿瘤局部温度升高使肿瘤微环境中TAAs的释放减少，但AuNRs-IMDQ-R9纳米系统可有效释放TAA。捕获TAA的纳米系统形成了纳米疫苗，可以增加树突状细胞的活化和成熟，并引发了强大的抗肿瘤T细胞反应。Tang等[27]设计了基于一种超分子阳离子金纳米棒的纳米系统，不仅可以作为载体传递具有热休克启动子(heat-shock-promoter，HSP)的PD-L1的CRISPR/Cas9基因，而且吸收近红外第二窗口(the second near-infrared optical window，NIR-II)光转化为温和的热疗来诱导ICD的发生和Cas9的基因表达。在NIR-Ⅱ光的照射下，将CRISPR/Cas9传递到肿瘤细胞中诱导PD-L1的基因编辑使PD-L1基因破坏，实现将免疫抑制性肿瘤微环境编程为免疫活性微环境来增强免疫检查点抑制剂(immune checkpoint blockade，ICB)治疗。Liu等[28]制备了一种新的纳米复合体系(GNPs-siRNA)，将聚(4-苯二烯磺酸钠)(poly sodium 4-styrenesulfonate，PSS)和聚-二烯丙基二甲基氯化铵(poly-diallyldimethylammonium chloride，PDADMAC)包被的GNPs(gold nanoprisms)作为hPD-L1siRNA传递的载体，其中GNPs可作为PTT的热疗剂。修饰后的GNPs具有良好的相容性，在663 nm的激光照射下GNPs-hPD-L1 siRNA不仅可以下调hPD-L1的表达，还可以利用光声成像(photoacoustic imaging，PAI)和PTT实现抗肿瘤免疫。

自1985年首次发现富勒烯以来，已经揭示了各种形状的碳基纳米材料，例如石墨烯、碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)、氧化石墨烯(graphene oxide，GO)和碳量子点等。纳米材料石墨烯可以有效地激活巨噬细胞并产生免疫因子，从而改善机体的免疫反应。Deng等[29]使用GO与PEG作为光热材料在巨噬细胞中诱导加热效应，从而起到抗肿瘤作用。GO-PEG(GP)表现出良好的光热效应、热稳定性和生物相容性，在NIR的照射下可以缓解白细胞介素4(interleukin-4，IL-4)诱导的巨噬细胞M2极化并调节其抗肿瘤能力，有助于在小鼠模型中抑制骨肉瘤的生长。CNTs是一维管型富勒烯，可以根据石墨层的数量分为单壁纳米管(single-walled carbon nanotube，SWNTs)和多壁纳米管(multi-walled carbon nanotubes，MWNTs)[30]。Li等[31]利用新型免疫佐剂糖化壳聚糖(glycated chitosan，GC)修饰SWNT，制备了一个新的纳米平台SWNT-GC。该纳米平台通过靶向作用实现肿瘤内给药来治疗原发性肿瘤，再使用1 064 nm激光照射增强抗细胞毒性T淋巴细胞相关抗原-4(cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4，CTLA-4)检查点阻断治疗和利用PTT实现局部消融，诱导全身抗肿瘤免疫，在转移性乳腺癌治疗上有很好的疗效。

4 基于光激活纳米颗粒的免疫疗法与化疗的协同策略

化疗是目前临床癌症治疗的主要治疗方式之一，通过使用化疗药物防止癌细胞生长，分裂和增殖。众所周知，目前使用的化疗药物存在选择性较低，靶向性差等局限性，会造成局部或全身毒副作用。利用纳米材料负载化疗药物可以延长循环时间，提高水溶性以及递送到特定靶点减少药物的副作用。

有研究表明，虽然GO在给药后会在人体内长期存在，但它们不会对机体造成明显的毒性。Zhou等[32]开发了一种新的纳米系统，是通过将化疗药物米托蒽醌(mitoxantrone，MTX)和转化 生 长 因 子β(transforming growth factor-β，TGF-β)抑制 剂SB-431542加载到还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide，rGO)上构建的。还原氧化石墨烯作为免疫佐剂形成原位疫苗接种，还可作为化疗药物的载体和光热剂通过抑制调节性T细胞(regulatory cells，Tregs)来改善肿瘤微环境。rGO/MTX/SB与激光照射相结合后，通过原位疫苗接种和改善免疫抑制微环境实现了协同化疗-免疫-光热效应，从而提高治疗肿瘤的效果。

Feng等[33]报道了一种用于免疫治疗的光诱导纳米物(light-inducible nanocargo，LINC)，由光敏剂脱镁叶绿酸A(photosensitizer pheophorbide A，PPa)和吲哚胺2,3-双加氧酶1(indoleamine 2,3-dioxygenase 1，IDO-1)抑制剂(即NLG919)的还原反应异二聚体和奥沙利铂(oxaliplatin，OXA)的光激活前药组成。在荧光成像的引导下进行两次NIR照射，通过静脉注射的LINC积累在肿瘤部位并产生NIR荧光信号，在第一波近红外激光照射下诱导ROS生成，促进了其深度渗透。当暴露于第二波NIR激光照射时，发生PDT，并联合化疗药物OXA诱导肿瘤细胞的ICD，产生有效的诱导免疫反应。该策略既可以避免肿瘤内直接注射所具有的扩散差的缺点，又可以通过传递NLG919来逆转免疫抑制性肿瘤微环境，从而促进ICD来增强抗肿瘤治疗的效果。

5 小结与展望

近年来，光响应的纳米材料广泛应用于癌症免疫治疗，本综述讨论了光激活纳米材料的最新进展及其在抗肿瘤免疫治疗中的应用。随着纳米技术的进步，纳米材料在肿瘤免疫治疗中的应用日益引起重视。但是目前临床上基于光激活治疗的疗效受限于紫外及可见光的低穿透性，使光激活成像或治疗陷入困境。为了实现更深的组织穿透能力，低能量长波长的NIR光是一个不错的选择。NIR频带为更深入地穿透生物组织提供了一个光学窗口。上转换纳米粒子等材料具有独特的能力，可通过连续吸收两个或多个低能光子将NIR光有效地转换为紫外线或可见光，可实现与紫外或可见光相同的目标。虽然具有更深的组织穿透，但实际临床应用仍存在挑战。光活化纳米材料的毒性也是所有纳米材料普遍存在的问题。迄今为止，对光活化纳米材料的研究主要集中在新的光激活策略构建，对材料的代谢和毒性认识尚不够深入，应用时还必须考虑光活化纳米材料在临床应用中的潜在风险，如全身毒性、清除的复杂性以及对人体的长期影响。而且，用于纳米材料探索的动物模型多限于小动物，极少使用大型动物进行研究。此外，材料的合成标准、药物的负载量、在生理环境中的溶解度、如何有效保存以及业界共识等，也是纳米材料临床应用的障碍。由于肿瘤发生的机制因人而异，单一的免疫疗法可能无法达到令人满意的抗肿瘤治疗效果，协同免疫治疗或成为抗肿瘤的策略之一。将不同的治疗机制和不同的材料以合理、协同的方式组合在同一纳米系统中以实现高效的协同免疫治疗也是一个巨大的挑战。以上问题可能会激发未来对光激活纳米材料开发和改进的探索，为未来患者的抗肿瘤免疫治疗提供更好的机会。尽管光激活纳米材料在抗肿瘤免疫方面还存在一些问题，但依然为未来的抗肿瘤治疗提供了很好的策略。