雷自文 祁迎秋 聶廣軍

腫瘤已逐漸成為對人類公共健康構(gòu)成重大威脅的疾病之一。近年來，腫瘤的發(fā)病率和死亡率呈持續(xù)上升態(tài)勢，癌癥的防治形勢相當(dāng)嚴峻。各國在針對癌癥發(fā)生發(fā)展機理研究及診治方案上投入了大量人力物力和財力。治療方面，除了傳統(tǒng)的藥物治療和放療外，納米技術(shù)的迅速發(fā)展為開發(fā)腫瘤特異性藥物帶來了全新的機遇。

納米技術(shù)是一種研究物質(zhì)在納米尺度（通常是1～100納米）下的特性和現(xiàn)象的科學(xué)技術(shù)。在生物醫(yī)藥應(yīng)用方面，納米技術(shù)可以制備出納米級的藥物載體，通過調(diào)整載體的形狀、大小、組成和表面性質(zhì)等特征，進而提高藥物的穩(wěn)定性和生物利用度，并實現(xiàn)藥物的靶向傳遞，減少藥物在體內(nèi)正常組織的分布，提高藥物的療效，減少毒副作用，是抗腫瘤藥物研發(fā)領(lǐng)域的“鋼刀利刃”！

科學(xué)家已經(jīng)利用納米技術(shù)，根據(jù)腫瘤微環(huán)境的獨特性，精心設(shè)計了多種不同類型的抗腫瘤納米藥物，主要包括DNA納米藥物、多肽納米藥物以及納米腫瘤疫苗等。納米藥物實現(xiàn)了藥物的高度靶向輸送、可控釋放以及對免疫系統(tǒng)的精準調(diào)節(jié)，即通過對腫瘤微環(huán)境進行更精確的調(diào)控，達到顯著的抗腫瘤效果。這不僅極大提高了治療效果，也減少了對正常組織的不良影響，為腫瘤治療帶來了前所未有的希望和可能。因此，納米生物材料的應(yīng)用為助力抗腫瘤藥物研發(fā)揭開了嶄新的篇章！

在腫瘤的生成和發(fā)展中，除了惡性腫瘤細胞自身，實體瘤內(nèi)還存在一系列復(fù)雜的基質(zhì)細胞和相關(guān)的細胞外組成成分。這些不同的成分相互作用，形成了一種特殊的“生態(tài)系統(tǒng)”，即腫瘤微環(huán)境。在這一微環(huán)境內(nèi)，失控增殖的腫瘤細胞、功能受損的免疫細胞和異常的血管內(nèi)皮細胞共同構(gòu)成了一塊“肥沃”的土壤，為腫瘤的快速發(fā)展提供了有利條件。這個微環(huán)境中不斷發(fā)生著多種生物學(xué)過程，包括炎癥反應(yīng)、血管生成、免疫逃逸和細胞外基質(zhì)重塑。炎癥反應(yīng)吸引免疫細胞，并釋放多種細胞因子和化學(xué)介質(zhì)來推動腫瘤細胞的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移；新血管的生成為腫瘤生長提供營養(yǎng)和氧氣，同時也為腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移提供通道；免疫抑制機制阻止了免疫細胞有效地消滅腫瘤細胞；細胞外基質(zhì)的重塑促進了腫瘤細胞的侵襲和轉(zhuǎn)移。所有這些過程共同促進腫瘤細胞的生長、轉(zhuǎn)移和耐藥性，形成一個惡性循環(huán)，使患者病情不斷惡化[1]。這些腫瘤內(nèi)發(fā)生的病理變化促進腫瘤發(fā)生發(fā)展的同時，也塑造了腫瘤微環(huán)境缺氧、酸化等特征。腫瘤細胞自身也會分泌相關(guān)因子進一步促進這些病理過程的進展。

然而，正是這些為腫瘤發(fā)展提供便利的微環(huán)境特性，為我們提供了研究和開發(fā)腫瘤特異性藥物的機會，達到“以其人之道，還治其人之身”的目的。

納米技術(shù)作為一項有巨大潛力的新興技術(shù)，能夠通過精確控制藥物的輸送、釋放和靶向性，針對腫瘤微環(huán)境的特點進行針對性的藥物設(shè)計。針對炎癥反應(yīng)，可以將納米生物材料做成藥物載體，將封裝其中的藥物通過針對腫瘤細胞表面特定受體的靶向作用，遞送到特定的部位實現(xiàn)精確釋放。應(yīng)對腫瘤微環(huán)境中的血管生成，納米生物材料可以針對腫瘤血管內(nèi)皮細胞進行靶向作用，釋放抗血管生成藥物，有效地抑制腫瘤血管的生長，削弱腫瘤的血液和氧氣供應(yīng)[2]。通過設(shè)計納米疫苗或納米免疫佐劑等納米生物材料，激活患者自身的免疫系統(tǒng)，增強其對腫瘤細胞的辨識和攻擊能力，克服腫瘤微環(huán)境中的免疫逃逸[3]。同時，納米免疫佐劑也有助于提升免疫細胞的活性，增強其抗腫瘤效果。此外，納米生物材料還可干預(yù)細胞外基質(zhì)的重塑，通過攜帶基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑等藥物，靶向腫瘤細胞外基質(zhì)，重新塑造其結(jié)構(gòu)，從而有效阻止腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移。

針對腫瘤微環(huán)境中缺氧和酸化等特點，利用納米技術(shù)精確設(shè)計缺氧或酸響應(yīng)型的納米藥物載體，它們能在腫瘤組織內(nèi)得到集中和滲透，實現(xiàn)藥物在腫瘤組織或細胞內(nèi)目標區(qū)域的有選擇性釋放，從而實現(xiàn)更高效和精準的治療。

綜上所述，納米技術(shù)為應(yīng)對腫瘤微環(huán)境的獨特特點，提供了有針對性的納米生物材料設(shè)計途徑。這些納米生物材料可以構(gòu)建高效的藥物輸送平臺，實現(xiàn)對腫瘤細胞的定向輸送和調(diào)控腫瘤微環(huán)境，同時改善藥物的藥代動力學(xué)特性。這為抗腫瘤藥物的研發(fā)帶來了全新的思路和方法，有望在未來的臨床應(yīng)用中取得突破性進展，為腫瘤患者帶來更好的治療效果。

異常的血管新生是腫瘤生長的必要條件，它為腫瘤的增殖提供了必要的營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣，針對腫瘤的抗血管生成藥物已廣泛運用于臨床治療中。如一種靶向抗腫瘤藥貝伐珠單抗（針對結(jié)直腸癌、非小細胞肺癌、宮頸癌、卵巢癌等）可以選擇性地抑制新生腫瘤血管的形成，減少腫瘤細胞的血液供應(yīng)，從而抑制腫瘤細胞的生長；也可以剝奪腫瘤細胞的營養(yǎng)和氧氣，使其大量死亡。凝血酶可以通過激活血小板，將纖維蛋白原轉(zhuǎn)化為纖維蛋白，對血小板的富集進行調(diào)節(jié)，最終導(dǎo)致阻塞性血栓形成。由此可見，倘若能利用納米藥物載體將凝血酶靶向運輸?shù)侥[瘤組織部位，則可以有效切斷腫瘤細胞的營養(yǎng)供應(yīng)。DNA分子已被證明是進行納米藥物載體設(shè)計的良好底物，可以通過DNA折紙技術(shù)，將天然DNA的長鏈進行反復(fù)折疊，并用短鏈進行固定，隨后修飾上相關(guān)功能元件，使其能感應(yīng)外界刺激進而發(fā)揮相應(yīng)功能，故又可稱其為“納米機器人”。在抗腫瘤藥物設(shè)計領(lǐng)域，可以通過化學(xué)方法將靶向腫瘤的配體分子結(jié)合到DNA上，使DNA納米機器人獲得“智能導(dǎo)航系統(tǒng)”，然后將抗腫瘤藥物連接到DNA上，通過DNA納米機器人將負載的藥物靶向遞送到腫瘤組織，實現(xiàn)精準治療。

我們通過將多種功能元件，包括矩形DNA折紙、凝血酶、靶向序列（AS1411，一種靶向核仁素的核酸配體）、閉鎖序列進行組裝，設(shè)計了一種可有效誘導(dǎo)腫瘤組織血管發(fā)生血栓的DNA納米機器人。當(dāng)DNA納米機器人被靜脈注射入荷瘤小鼠體內(nèi)，隨著血液循環(huán)，納米機器人在“智能導(dǎo)航系統(tǒng)”AS1411的引導(dǎo)下，到達腫瘤血管內(nèi)皮細胞表面，與其細胞膜上特異性表達的特異性蛋白——核仁素結(jié)合，閉鎖序列斷開，管狀的DNA納米機器人轉(zhuǎn)化為矩形的DNA折紙，包裹在內(nèi)部的凝血酶得以暴露，隨之啟動凝血酶催化的凝血過程，誘導(dǎo)腫瘤血管發(fā)生血栓，有效切斷對腫瘤細胞的營養(yǎng)供應(yīng)，最終殺死腫瘤。

在這項研究中，DNA納米機器人除具有DNA分子本身的高化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，還增加了藥物負載、藥物靶向遞送等“智能功能”，實現(xiàn)了凝血蛋白酶對腫瘤血管的靶向遞送，有效誘導(dǎo)腫瘤血管發(fā)生血栓。這種納米藥物載體的策略可以提供更精確和定向的治療，避免對健康組織的過度傷害，為癌癥的靶向治療提供了新思路。相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，DNA納米機器人將在抗腫瘤治療中發(fā)揮更大的作用[4]。

多肽是由氨基酸組成的短鏈蛋白質(zhì)，具有結(jié)構(gòu)多樣性和生物活性，因此，我們可以通過調(diào)整氨基酸序列和空間構(gòu)象，精準調(diào)控多肽納米藥物的特性和功能。例如，通過設(shè)計能與特定受體或細胞結(jié)合的多肽序列，實現(xiàn)藥物的精準傳遞和靶向治療，提升藥物療效，減少對正常細胞的不良影響。利用多肽的自組裝特性，可進行納米藥物載體的設(shè)計，將抗腫瘤藥物包裹在其內(nèi)部，提高藥物的穩(wěn)定性和腫瘤細胞的攝取率，達到增效減毒的目的。同時，也可以通過修飾缺氧響應(yīng)或酸響應(yīng)序列，實現(xiàn)藥物的可控釋放。此外，還可根據(jù)腫瘤細胞外基質(zhì)重塑過程中高表達的相關(guān)蛋白酶如基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP），來針對性地設(shè)計酶響應(yīng)多肽納米藥物。在此基礎(chǔ)上還可通過多種靶向序列和響應(yīng)序列的修飾，實現(xiàn)納米藥物的多重靶向和順序響應(yīng)，進一步提高藥物療效，減少不良反應(yīng)?？梢?，具有“七十二變神通”的多肽納米藥物，能針對腫瘤微環(huán)境的多樣性進行精準調(diào)控，使腫瘤無處遁形。

我們以腫瘤細胞膜上廣泛表達的表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor， EGFR）蛋白為靶向目標，利用一段可與EGFR蛋白特異性結(jié)合的多肽序列作為親水端，十八烷酸作為疏水端，構(gòu)建了一類靶向型多肽自組裝納米載體。該載體本身可自組裝形成納米顆粒，與腫瘤細胞系中高表達EGFR的細胞結(jié)合后被內(nèi)吞；當(dāng)載體攜帶疏水化療藥物成為功能化納米藥物時，通過靶向結(jié)合、釋放化療藥物，就可達到協(xié)同殺傷腫瘤細胞的目的[5]。

由于腫瘤的細胞外基質(zhì)屏障，會引起抗腫瘤藥物滲透率不足。利用多肽的自組裝特性，將疏水性抗癌藥物阿霉素包裹在雙親性多肽CAP納米顆粒中，當(dāng)納米顆粒到達腫瘤部位時，被腫瘤基質(zhì)中高表達的FAP-α（一種腫瘤相關(guān)成纖維細胞表達的蛋白酶）切割，其中的藥物釋放出來，從而提高了藥物在腫瘤組織中的滲透率，實現(xiàn)了優(yōu)越的響應(yīng)性釋放和抗腫瘤效果[6]。

在腫瘤微環(huán)境下，為阻止PD-1/PD-L1信號通路激活及吲哚胺2，3-雙加氧酶（IDO）大量分泌所引起的免疫抑制現(xiàn)象，通過設(shè)計一種雙親性多肽[由3-二乙基氨基丙基異硫氰酸酯分子（DEAP）、MMP-2特異切割序列（PLGLAG）和免疫檢查點PD-L1短肽拮抗劑（DPPA-1）組成]，經(jīng)過其自組裝過程，將IDO的小分子抑制劑（NLG919）包裹在納米顆粒中，構(gòu)建成順序響應(yīng)的多肽納米藥物。該藥物在腫瘤微環(huán)境的弱酸性條件下，通過DEAP的質(zhì)子化膨脹，暴露MMP-2特異切割序列；后者被腫瘤微環(huán)境中高表達的MMP-2切割，釋放DPPA-1和NLG919。這種設(shè)計方案實現(xiàn)了對免疫檢查點PD-1的阻斷和IDO的抑制，實現(xiàn)了雙重免疫治療，并獲得了出色的抗腫瘤效果[7]。

多肽自組裝技術(shù)在抗腫瘤納米藥物研發(fā)中展現(xiàn)了巨大前景。通過調(diào)節(jié)多肽序列和環(huán)境條件，可實現(xiàn)納米藥物的靶向輸送、藥物的可控釋放和免疫治療等目標。

源自細菌的外膜囊泡（outer membrane vesicle， OMV）是一類由細菌分泌的微小囊泡，其內(nèi)含細菌外膜蛋白、細胞壁成分和其他生物活性分子，它在腫瘤疫苗研發(fā)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用潛力。

OMV可作為一種有效的抗原提呈系統(tǒng)，用于激發(fā)免疫系統(tǒng)對腫瘤細胞的免疫反應(yīng)。通過調(diào)整OMV表面的化學(xué)性質(zhì)或結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)免疫細胞（如樹突狀細胞，一種抗原提呈細胞，簡稱DC細胞）的特異性識別和定位，提高抗原提呈細胞對抗原的攝取效率，增強免疫反應(yīng)的強度和效果。此外，OMV表面富含的病原體相關(guān)分子模式（PAMP），使其成為一種潛在的免疫佐劑，以增強免疫應(yīng)答。例如，通過將OMV與自體腫瘤組織中獲得的腫瘤細胞膜進行融合，可以構(gòu)建個體化的腫瘤疫苗，同時共提呈抗原和免疫佐劑，以增強免疫反應(yīng)的效力；甚至可以將經(jīng)基因工程改造的細菌引入腸道。這些工程細菌通過穿透腸上皮屏障、釋放OMV，誘導(dǎo)更強大的抗腫瘤免疫效應(yīng)，并在免疫系統(tǒng)中建立更持久的免疫記憶效應(yīng)。因此，OMV在腫瘤疫苗研發(fā)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。通過調(diào)節(jié)OMV的性質(zhì)和應(yīng)用方式，可以實現(xiàn)免疫系統(tǒng)的有效激活，為腫瘤治療提供新的策略和途徑。

小細菌的大用途：OMV腫瘤疫苗

免疫系統(tǒng)對腫瘤抗原的有效識別是成功實施腫瘤免疫治療的關(guān)鍵。然而，令人遺憾的是，只有大約1%的外源性腫瘤抗原能夠被機體免疫系統(tǒng)充分辨識。為成功開展腫瘤免疫治療，必須使用適當(dāng)?shù)哪[瘤抗原遞送載體。同時，由于不同類型的腫瘤存在顯著的差異，即使同一類型的腫瘤，它們在不同患者之間也可能存在差異。因此，如果能將不同的腫瘤抗原呈現(xiàn)在同一遞送載體上，就能夠開發(fā)出個性化的腫瘤疫苗。

OMV是一種有效的抗原遞送載體，通過基因工程技術(shù)可以對產(chǎn)生OMV的細菌進行改造，在OMV表面表達融合蛋白[如細胞溶素A（cytolysin A， Cly A）-腫瘤抗原]，實現(xiàn)OMV對多種不同的腫瘤抗原的有效負載。然而，在基因工程細菌生產(chǎn)OMV的過程中，腫瘤抗原已經(jīng)被同時表達在OMV表面，無法實現(xiàn)OMV載體對腫瘤抗原的自由匹配。這樣，不但限制了OMV腫瘤疫苗的規(guī)?；a(chǎn)，同時也大大限制了OMV腫瘤疫苗在腫瘤個體化治療中的應(yīng)用，亟需開發(fā)一種更便捷高效的OMV腫瘤抗原遞送系統(tǒng)。

基于此，我們利用基因工程技術(shù)和分子膠水技術(shù)，開發(fā)了一種“即插即用”型OMV腫瘤疫苗平臺，能夠快速展示多種腫瘤抗原并實現(xiàn)高效遞送和免疫刺激。該腫瘤疫苗平臺不僅可依賴其尺寸優(yōu)勢實現(xiàn)淋巴結(jié)的高效引流，還具備免疫佐劑功能激活多種天然免疫通路，實現(xiàn)有效的腫瘤免疫治療[8]。這不僅滿足了復(fù)雜多樣的腫瘤抗原臨床需求，還有望極大地推動個體化腫瘤疫苗的發(fā)展。

腫瘤的個性化治療：雜合膜腫瘤疫苗

自體來源的腫瘤細胞膜富含腫瘤抗原，可喚起機體特異性免疫反應(yīng)，但其自身免疫原性較低，單獨作用下引發(fā)的免疫反應(yīng)較弱。因此，需要佐劑輔助以增強機體對腫瘤抗原的免疫響應(yīng)。細菌細胞膜作為佐劑，通過促使DC細胞成熟、激活T細胞等途徑，增強免疫響應(yīng)。與其他細菌來源的佐劑如脂多糖相比，細菌細胞膜還能有效減少急性毒性反應(yīng)。

為了實現(xiàn)特異性的抗腫瘤反應(yīng)、避免不良反應(yīng)，我們開發(fā)了一種個性化雜合膜納米腫瘤疫苗，它由源于自體腫瘤的細胞膜、大腸桿菌細胞膜和聚乳酸納米顆粒構(gòu)成。實驗結(jié)果顯示，在手術(shù)切除腫瘤后，這些雜合膜納米顆粒誘導(dǎo)了強烈的腫瘤特異性免疫反應(yīng)，提高了小鼠的存活率，能長期保護小鼠免受腫瘤的再次攻擊。且沒有因為細菌細胞壁污染導(dǎo)致的免疫系統(tǒng)過度刺激等不良反應(yīng)。該研究表明，基于細菌細胞質(zhì)膜有效激活先天免疫系統(tǒng)的個性化自體腫瘤抗原疫苗，實現(xiàn)了個性化腫瘤膜抗原和細菌細胞膜佐劑的有效遞送，成功激發(fā)機體特異性免疫反應(yīng)，提供了持久的免疫記憶保護效果，有效遏制了腫瘤的術(shù)后復(fù)發(fā)，在癌癥術(shù)后患者的個性化治療方面具有巨大潛力[9]。

未來的“糖丸”：口服腫瘤疫苗

口服給藥通常被視為相較于注射更安全、患者更易依從及醫(yī)療費用更低的疫苗接種方法。腸道作為人體最大的免疫器官，含有約70%的免疫細胞，因此口服腫瘤疫苗有望引發(fā)強烈的抗腫瘤效應(yīng)。然而，復(fù)雜的消化道環(huán)境和腸道上皮屏障限制了口服疫苗的開發(fā)。某些口服減毒活疫苗，如脊髓灰質(zhì)炎疫苗，能夠利用微生物在預(yù)防傳染病領(lǐng)域的自然特性，有效克服腸道上皮屏障。然而，這種方法并不適用于口服腫瘤疫苗，因為腫瘤細胞本身不具備病毒所具有的穿越腸道上皮屏障的能力，并且減毒活疫苗仍然存在感染和傳播的潛在風(fēng)險。鑒于屏障穿透性、安全性和有效性等方面的考量，迫切需要開發(fā)新的口服疫苗技術(shù)。

我們設(shè)計了一種基于基因工程細菌腸道生產(chǎn)效應(yīng)OMV的口服腫瘤疫苗體系。這種口服疫苗在多種小鼠腫瘤模型中均能誘導(dǎo)機體產(chǎn)生強有力的抗腫瘤免疫效應(yīng)和免疫記憶效應(yīng)，有良好的臨床應(yīng)用前景[10]。

納米生物材料基于生物分子的納米結(jié)構(gòu)整合了天然構(gòu)建模塊的材料和生物學(xué)優(yōu)勢，使得藥物載體的多功能設(shè)計成為可能。然而，隨著材料復(fù)雜性的增加，臨床應(yīng)用的挑戰(zhàn)也相應(yīng)增加。此外，為充分發(fā)揮基于生物分子的抗腫瘤納米藥物研發(fā)的應(yīng)用潛力，需要全面理解納米材料與腫瘤微環(huán)境之間的相互作用，以便進行針對性的納米藥物載體設(shè)計。只有這樣才能實現(xiàn)藥物的精確傳輸、控制釋放、診斷監(jiān)測以及改良優(yōu)化，從而提高藥物的療效、改善患者的治療體驗。

[1]Karin E de V， Johanna A J. The evolving tumor microenvironment： From cancer initiation to metastatic outgrowth. Cancer Cell， 2023， 41（3）： 374-403.

[2]Qin H， Ding Y， Nie G，et al. Tumor microenvironment targeting and responsive peptide-based nanoformulations for improved tumor therapy. Mol Pharmacol， 2017， 92（3）： 219-231.

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[8]Cheng K， Zhao R， Li Y， et al. Bioengineered bacteria-derived outer membrane vesicles as a versatile antigen display platform for tumor vaccination via plug-and-display technology. Nat Commun， 2021， 12（1）： 2041

[9]Chen L， Qin H， Zhao R F，et al. Bacterial cytoplasmic membranes synergistically enhance the antitumor activity of autologous cancer vaccines. Sci Transl Med， 2021， 13（601）： eabc2816.

[10]Yue Y L， Xu J Q， Li Y， et al. Antigen-bearing outer membrane vesicles as tumour vaccines produced in situ by ingested genetically engineered bacteria. Nat Biomed Eng， 2022， 6（7）： 898-909.

關(guān)鍵詞：納米生物材料 腫瘤微環(huán)境 抗腫瘤藥物 納米機器人多肽納米藥物 腫瘤疫苗 ■