免疫检查点阻断(ICB)疗法通过激活免疫系统来抑制肿瘤的发生和转移,已成为一种极具前景的治疗策略。在众多的检查点中,程序性死亡配体1(PD-L1)被认为是肿瘤相关免疫抑制和肿瘤进展的关键调节因子,已被用作临床治疗实体肿瘤的治疗靶点。目前,常用单克隆抗体或小干扰RNA(siRNA)来阻断PD-L1/PD-1通路,但存在耐久性差、免疫反应低等问题。因此,永久性、特异性地抑制肿瘤细胞中PD-L1基因的表达,有望实现更有效、更持久ICB治疗。
作为一种前沿的基因组编辑工具,聚类规则穿插短回文重复序列(CRISPR)-相关蛋白9(CRISPR/Cas9)系统为癌症的治疗提供了新的思路。CRISPR/Cas9具有精确高效的基因编辑能力,能够在sgRNA的引导下识别特定的DNA序列,并通过Cas9核酸内切酶切割目标PD-L1基因,调控肿瘤细胞PD-L1的表达。在肿瘤治疗中,基于质粒的CRISPR/Cas9系统因其结构简单、成本低、整合效率高而被广泛应用。提高靶标特异性和基因编辑效率是CRISPR/Cas9系统在免疫治疗中的关键,因此迫切需要开发靶向肿瘤和响应性的纳米载体,以精确和有效地在肿瘤细胞内传递CRISPR/Cas9质粒。
图1. (Au0)25-G5-LA/PBA-G3(Au CSTDs)的合成方案及基于ICB癌症免疫治疗的CRISPR/Cas9传递机制
研究团队通过1H NMR、UV-vis和2D NOESY证明了金纳米颗粒的成功包裹以及核壳树状大分子的成功构建(图2A-C)。TEM、AFM以及水合粒径分布图显示出Au CSTDs呈球形,且大小均一(图2D-F)。Au CSTDs的红细胞溶血率低于5%,具有良好的血液相容性。此外,通过荧光光谱分析验证了苯硼酸酯键在低pH和高H2O2的响应性断裂,这将导致Au CSTDs在肿瘤微环境下发生pH和H2O2响应性分解(图2H和I)。
图2. (A) (Au0)25-G5-LA、G3-PBA和Au CSTDs的1H NMR谱。(B) G5-LA、(Au0)25-G5-LA和Au CSTDs的紫外-可见光谱。(C) Au CSTDs的2D NOESY光谱。(D) Au CSTDs的TEM图像和大小分布直方图。(E)AFM图像和Au CSTDs的高度轮廓。(F)各物质在水中的水合粒径图。(G)不同浓度的Au CSTDs对小鼠的溶血率。阳性对照为1%的Triton X-100 (TX-100),阴性对照为PBS。插图显示了与材料共孵育2小时离心后的照片。(H) Au CSTDs在pH为7.4、6.4和5.4时的荧光激发光谱。(I) Au CSTDs在含H2O2 (0.1 mM) pH = 7.4的荧光激发光谱。所有激发光谱均使用388 nm的发射波长。PBA的浓度固定在1 mM。
图3. (A) Cas9-PD-L1质粒和靶向PD-L1的sgRNA序列。(B)不同N/P比下, Au CSTDs压缩Cas9-PD-L1质粒的琼脂糖凝胶阻滞试验。1:DNA Marker (5000 bp);2:游离Cas9-PD-L1;3?8:N/P比分别为0.125、0.25、0.5、1、2和5。(C) N/P = 10时,在不同环境下Au CSTDs压缩Cas9-PD-L1质粒的琼脂糖凝胶阻滞试验。(D)不同N/P比下Vector/Cas9-PD-L1的水合粒径。(E)不同载体浓度的Vector、Vector/Cas9-PD-L1和Vector/ Cas9-NC处理的B16-F10细胞24小时的活力测定。Cas9-NC质粒中的sgRNA被无序DNA取代。(F)在N/P分别为2、5、10、15、20和30时,PBS、Cas9-PD-L1和Vector/Cas9-PD-L1转染B16-F10细胞后的代表性流式细胞仪图和(G)相对平均荧光强度。
图4. (A) B16-F10细胞对Vector/Cas9-PD-L1在不同时间的细胞摄取。PBA作为阻断剂:加入Vector/Cas9-PD-L1前10分钟,用游离的PBA(4 mM)处理B16-F10细胞。(B)用Cy3标记的Cas9-PD-L1与Au CSTDs复合后处理2、4和8小时时,B16-F10细胞的共聚焦显微图像和相应的共定位荧光强度剖面分析以及(C) Cy3(红色荧光)和溶酶体(绿色荧光)之间的共定位率。细胞核用Hoechst 33342染色。溶酶体用LysoTracker绿色染色。比例尺:20 μm。PBS、nCSTD(非靶向非响应)、PBA + Au CSTDs(非靶向有响应)、Au CSTDs(有靶向有响应)和CSTD(不含纳米金颗粒)分别压缩Cas9-PD-L1质粒后,与B16-F10细胞孵育4 h后的(D)相对平均荧光强度与(E)荧光图像。PBA作为阻断剂。比例尺:100 μm。
研究团队进一步验证了Au CSTDs递送CRISPR-Cas9系统的作用机制。T7核酸内切酶I证实了该系统有效的基因编辑能力,它可以在DNA水平上显著降低PD-L1基因。值得注意的是,用Au CSTDs作为载体递送系统,比游离Cas9-PD-L1的对照组基因编辑效率增加了7.1倍(图5A)。RT-PCR以及WB实验证明,CRISPR-Cas9系统可以进一步降低PD-L1基因的RNA水平以及蛋白质水平(图5B和C)。
图5. (A) PD-L1基因组位点的T7EI检测,(B) PD-L1基因表达的RT-PCR检测,(C) PBS、Cas9-PD-L1、Vector/Cas9-PD-L1和Vector /Cas9-NC转染后PD-L1蛋白表达的WB检测。在(B)和(C)中,PBS处理的细胞表达量设为1.0。
图6. (A)不同浓度的Au CSTDs和碘海醇中Au或I的的CT图像和HU值。(B) B16-F10肿瘤模型瘤周注射Au CSTDs([Au] = 5 mM)后,不同时间间隔的CT图像和HU值。肿瘤区域用红色圈出。(D)瘤周注射Au CSTDs后,小鼠主要器官和肿瘤在不同时间的Au含量的生物分布。
图7. (A)体内肿瘤免疫治疗的示意图及时间轴。小鼠的(B)相对肿瘤体积变化、(C)分离肿瘤的照片和重量以及(D)不同治疗组的体重变化。每组6只小鼠。(E)第12天B16-F10肿瘤组织的H&E、TUNEL和Ki-67染色图片。比例尺:50 μm。(F)肿瘤切片中TUNEL阳性细胞和Ki-67阳性细胞的百分比。
图8. (A)肿瘤组织中PD-L1蛋白表达的图像和定量分析。PBS处理的肿瘤组织中PD-L1的表达设置为1.0。(B)肿瘤组织中PD-L1蛋白、CD4和CD8 T细胞的免疫荧光染色。比例尺:50 μm。脾脏中T细胞的流式细胞术分析。(C) CD4+/CD8+ T细胞和CD4+CD25+FOXP3+ T细胞(Tregs)的点图。(D) CD4+和(E) CD8+ T细胞的比例和(F) Tregs的比例。(G)第12天血清中TNF- α、(H) IFN-γ和(I) IL-6的定量分析。
简言之,研究团队设计的pH和H2O2敏感的Au CSTD纳米材料可以压缩和响应性释放CRISPR/Cas9质粒,通过永久性和特异性地破坏肿瘤细胞中PD-L1的表达,实现ICB治疗。Au CSTDs/Cas9-PD-L1通过靶向过表达唾液酸被肿瘤细胞特异性摄取,随着苯硼酸酯键的断裂Cas9-PD-L1被响应性释放出来,并定位于细胞核有效地切割PD-L1基因。体内实验证明,Au CSTDs/Cas9-PD-L1系统可以特异性聚集于肿瘤实现增强的CT成像,显著降低肿瘤细胞的PD-L1表达、诱导CD4+/CD8+ T细胞分布增加、减少免疫抑制细胞比例、上调细胞因子TNF-α/IFN-γ/IL-6,表现出显著的肿瘤抑制效果。因此,本研究制备的Au CSTD纳米材料为递送CRISPR/Cas9质粒用于ICB治疗提供了新的思路。
文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c22584
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