2023年6月30日，清華大學藥學院蒯銳課題組在Nature Communications發(fā)表題為“Ultrasound-responsive low-dose doxorubicin liposomes trigger mitochondrial DNA release and activate cGAS-STING mediated antitumour immunity”的文章。該工作開發(fā)了一種具有超聲波響應性的阿霉素脂質體，闡明了超聲波提高脂質體向腫瘤細胞的細胞核遞送阿霉素的原理，揭示了被氧化的腫瘤細胞線粒體DNA在激活宿主STING通路和抗腫瘤免疫應答過程中發(fā)揮的重要作用。
阿霉素是一種常用的化療藥物，可引發(fā)腫瘤細胞的免疫原性死亡（immunogenic cell death, ICD）。經歷ICD的腫瘤細胞會釋放多種“危險信號”DAMPs（Damage associated molecular patterns）如HMGB1、ATP、DNA等觸發(fā)機體產生抗腫瘤免疫應答，從而進一步促進殘留腫瘤細胞的殺滅。在眾多DAMPs中，腫瘤DNA至關重要，這是因為腫瘤細胞的DNA被轉運到樹突狀細胞（簡稱DC）后，可激活DC內部的cGAS-STING通路，最終促進I型干擾素的分泌和抗腫瘤T細胞應答的產生。盡管如此，直接使用化療藥物在體內高效殺滅腫瘤細胞并利用腫瘤細胞DNA激活抗腫瘤T細胞應答依然充滿挑戰(zhàn)。以臨床上廣泛使用的阿霉素脂質體制劑為例，雖然該制劑能夠利用腫瘤組織血管滲透性增加以及淋巴回流受阻的效應比游離藥物更好蓄積在腫瘤組織，但是脂質體被腫瘤細胞吞噬后容易滯留在腫瘤細胞的內吞體中，無法有效達到細胞核殺滅腫瘤細胞，最終導致腫瘤DNA無法充分被DC獲取。另外，死亡的腫瘤細胞釋放的DNA在激活STING前會被DC細胞質中的DNA酶降解，從而妨礙cGAS-STING通路及后續(xù)T細胞應答的激活。
為了克服以上挑戰(zhàn)，蒯銳課題組開發(fā)了一種具有超聲波（ultrasound，US）響應性的脂質體制劑。該脂質體的內部裝載了低劑量的化療藥物阿霉素（簡稱DOX），表面裝載了磷脂修飾的聲敏劑吲哚菁綠（簡稱ICG），所得制劑的粒徑約為130納米，DOX和ICG的包封率均在90%以上，該制劑被命名為liposomal ICG/DOX （簡稱LID）。作者證實LID被腫瘤細胞吞噬后主要滯留在內吞體中，但在超聲波作用下LID高效產生活性氧，活性氧通過提高內吞體膜通透性促進LID攜帶的DOX從內吞體逃逸到細胞核中，進而提高對腫瘤細胞的殺滅作用。另一方面活性氧導致腫瘤細胞線粒體DNA氧化，從而增強DNA耐受核酶降解的能力。作者進一步證實LID+US聯(lián)合處理的腫瘤細胞DNA能夠被更好地轉運到DC中，并誘導DC中cGAS-STING通路的激活。有意思的是提前使用小分子藥物清除腫瘤細胞線粒體DNA顯著抑制了LID+US誘導的DC激活，表明腫瘤細胞線粒體DNA對激活DC的STING通路具有重要作用，也提示殺滅腫瘤細胞的方式對其免疫原性有重要影響。在腫瘤和DC共培養(yǎng)的實驗中，敲除腫瘤細胞的cGAS或者STING均不影響I型干擾素的產生，而敲除DC的cGAS或者STING均顯著抑制了I型干擾素的產生，表明源于腫瘤細胞的DNA通過激活DC的cGAS-STING通路促進了I型干擾素的分泌。靜脈注射低劑量LID后的24小時在小鼠腫瘤組織使用超聲波可在腫瘤組織內部激活STING通路和T細胞應答并強烈抑制腫瘤生長，而低劑量的LD（liposomal DOX）或者LI (liposomal ICG)+US均無明顯治療效應。敲除宿主的STING通路或清除宿主的CD8+T細胞可顯著抑制LID+US的治療效應，而敲除腫瘤細胞自身的STING通路對LID+US的治療作用無明顯影響。以上結果表明超聲波響應性的低劑量阿霉素脂質體LID與超聲波的合理聯(lián)合可以激活宿主STING通路增強抗腫瘤T細胞免疫應答并產生強大的治療效應。
LID+US激活宿主STING通路和T細胞應答的示意圖
綜上所述，本文開發(fā)了一種超聲波響應性的低劑量阿霉素脂質體用于克服傳統(tǒng)的阿霉素脂質體制劑在利用腫瘤DNA激活宿主STING通路和抗腫瘤T細胞應答過程中面臨的關鍵挑戰(zhàn)。該研究也為理解腫瘤DNA與宿主STING通路兩者間的關系提供了新的視角。本文的策略有望用于其他化療藥物和遞送系統(tǒng)，對未來開發(fā)新的腫瘤免疫治療方法具有重要參考價值。
清華大學藥學院蒯銳研究員為本文的通訊作者。蒯銳課題組博士后王超鈺為本文的第一作者。蒯銳課題組博士研究生張若詩、何嘉、余綠珊、李昕艷做出了重要貢獻。本課題得到了國家自然科學基金委、清華-北大生命科學聯(lián)合中心、清華大學篤實專項基金等支持。清華大學藥學院張從剛研究員、清華大學生命科學院李賽教授和博士后張俊霞為本課題的開展提供了大量幫助。哈佛大學醫(yī)學院教授Jonathan C. Kagan和Jeffrey M. Karp在文章撰寫和投稿過程中提供了寶貴建議。與該研究相關的專利（提高激活STING通路和抗腫瘤T細胞應答的方法 2022103064601）已于近期獲得授權。
