研究人员制备可注射超软DNA水凝胶增强肿瘤化学免疫治疗

可注射水凝胶通过共递化疗药物和免疫调节剂来促进全身抗肿瘤免疫反应而受到广泛关注。但由于凝胶注射性能和生物功能整合不足，传统的水凝胶往往会损害生物安全性和生物活性。

2023年8月4日，同济大学胡勇与东华大学史向阳共同通讯 Science 在线发表题为“在线发表”Programming Injectable DNA Hydrogels Yields Tumor Microenvironment-Activatable and Immune-Instructive Depots for Augmented Chemo-Immunotherapy"研究论文，该研究设计了一个新的可注射刺激响应免疫调节数据库，通过编程超软DNA水凝胶调节剂。这种水凝胶系统可以通过肿瘤注射，然后分子构象发生变化，以刺激密封药物的释放。

首先，释放阿霉素诱导免疫原性细胞死亡，细胞死亡过程和凝胶系统中的聚合胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤寡脱氧核苷酸（CpG ODN）密切作用，有效募集和激活树突状细胞。聚合CPG ODN不仅能增强肿瘤的免疫原性，还能最大限度地减少游离CPG引起的脾肿。抗程序性细胞死亡蛋白配体1(APDL1)阻断肿瘤细胞上相应的免疫抑制检查点分子，增强抗肿瘤T细胞的免疫敏感性。因此，该研究的第一个概念验证了基于化疗毒性、原位疫苗接种和免疫检查点阻断的可编程超软DNA水凝胶系统的协同治疗。

随着肿瘤生物学和免疫学的发展，免疫治疗引起了极大的关注，成为肿瘤治疗的新途径。免疫疗法基于细胞毒性T淋巴细胞的抗肿瘤活性，对肿瘤细胞表现出高度的特异性和免疫记忆。免疫检查点抑制剂阻断程序性细胞死亡（PD-1)程序性死亡配体1 （PD-L1)之间的相互作用可以显著改善细胞毒性T淋巴细胞的持久反应和治疗结果。然而，基于免疫检查点抑制剂的免疫疗法高度依赖于适应性免疫反应。另一方面，化疗药物(如多柔比星)[DOX]、吉西他滨、奥沙利铂和环磷酰胺可诱导免疫原性细胞死亡（ICD）、激活抗原呈递细胞，改善T细胞浸润，触发免疫激活。不幸的是，研究发现，化疗药物通过激活PD-L1等免疫抑制相关基因的过度表达来诱导肿瘤免疫抑制。因此，联合治疗阻断免疫检查点，增强免疫激活，是免疫治疗的又一次创新。

相关学者对注射水凝胶与肿瘤治疗药物的结合进行了广泛的研究。该材料可以通过合理的比例和微创同时将多种药物送到靶点，提高肿瘤的积累、血液稳定性和半衰期。现有研究表明，水凝胶前体的混合物可以注射到肿瘤部位，水凝胶载体可以在肿瘤中形成，以释放化疗药物和蛋白质治疗药物的顺序，从而导致免疫原性肿瘤的形状，促进免疫介导肿瘤的消退。水凝胶包封药的局部治疗比局部或全身非包封药具有更好的肿瘤生长抑制作用。

Toll样受体通过进一步加载（TLR）激动剂(如咪喹莫特、胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤寡脱氧核苷酸[CpG ODN]），注射水凝胶能显著增强树突细胞（DC）肿瘤微环境的激活（TME）特异性细胞毒性T淋巴细胞炎症及肿瘤反应。然而，目前关于注射水凝胶化学免疫治疗的研究主要是基于可溶性前体的肿瘤凝胶，但复杂的生理环境可能会阻碍溶胶凝胶的转化，导致交联度降低、药物突然泄漏和不可预测的药代动力学。此外，传统聚合物缺乏分子、结构和功能可编程性，导致水凝胶生物功能设计（如免疫调节、TME响应）与肿瘤组织密切相互作用。

APDL1基于RCA的聚合制备 / DOX@增强化学免疫疗法的DNA凝胶示意图(摘自Advanceded) Science ）

DNA是一种具有优异生物相容性、可编程多样化序列、可预测二次结构、精确的自组装工艺、丰富的生物刺激反应等诸多优点的天然生物聚合物。在有利的环境下，DNA聚合物可以通过直链与支链DNA构件的连接/杂交和寡核苷酸的酶促延伸，特别是滚环扩增（RCA），自组装成结构清晰的水凝胶系统。DNA水凝胶代表了一种超软超级材料(弹性模量<15 Pa），从水中取出时，表现出与液体相似的特性，浸入水中时表现出固体特性。

DNA水凝胶独特的化学特性和多孔结构为蛋白质和化疗药物提供了许多相互作用点，具有较高的装载效率和较强的有效载荷稳定性。DNA水凝胶基于DNA构件上编码的分子、结构和功能信息，可由三磷酸腺苷制成（ATP）、控制药物释放在目标病理组织中尤为重要，如谷胱甘肽、酶等生物分子触发。另外，通过在DNA支架上编码CpG ODN，DNA水凝胶佐剂能模拟淋巴结的作用，其中抗原呈现细胞局部高浓度的CPG 募集和激活ODN。虽然取得了上述进展，但据作者所知，TME响应性DNA水凝胶佐剂的设计及其在化疗药物和免疫调节剂中的应用尚未进行深入研究。

该研究报告了一种DNA水凝胶佐剂，其中CPG 通过RCA介导的DNA聚合编码，ODN和ATP适配体的重复序列在超长的DNA构建块上。化学免疫治疗DNA水凝胶系统(APDL1/DOX@DNA凝胶)。由于其超软的超特性，DNA水凝胶系统很容易注射到肿瘤组织中。其过度表达的ATP与相应的适当组合促进了适应体的构象变化和凝胶基质的体积膨胀，从而释放DOX来诱导肿瘤细胞的ICD。CPG在凝胶载体上 ODN提高了肿瘤相关抗原的免疫原性，促进了DC的募集成熟和T细胞的肿瘤渗透。然后从扩张的凝胶基质中释放的APDL1抗体阻断了肿瘤细胞表面的免疫抑制PD-L1分子，使肿瘤对肿瘤T细胞免疫敏感。该研究提供了增强肿瘤免疫原性和逆转免疫抑制的前沿策略，然后有效地削弱肿瘤的生长、复发和转移。

参考消息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202302119

（原标题：Advanced Science | 同济大学胡勇/东华大学史向阳制备可注射超软DNA水凝胶，增强肿瘤化学免疫治疗。