一种基于锰的纳米平台，利用化学动力学和辅助效应实现原位接种以对抗结直肠癌

《Biomaterials》：A manganese-based nanoplatform leveraging chemodynamic and adjuvant effects for in situ vaccination against colorectal cancer

锰磷基纳米平台（MnP@LNP）通过化学动力治疗和原位肿瘤疫苗协同作用，显著抑制结直肠癌（CRC）原发及转移瘤。Mn2+在酸性肿瘤微环境中释放，激活cGAS-STING通路，促进干扰素-Ⅰ及炎症因子释放，同时诱导免疫原性细胞死亡（ICD）释放肿瘤相关抗原（TAAs），增强细胞毒性T淋巴细胞（CTL）应答。此外，该策略重塑肠道菌群，提升免疫刺激代谢物（如吲哚-3-乳酸），形成局部-全身协同免疫效应。

　　

强阳|小晓诗|坤阳|强高|应贵曹|余黄|李晨|胜飞宝|李旭|瑞L·雷伊斯|苏巴斯C·昆杜|海婷徐|肖波

中国西南大学蚕桑、纺织与生物质科学学院资源昆虫国家重点实验室，重庆400715

摘要

原位肿瘤疫苗接种通过内源性肿瘤相关抗原（TAAs）激活宿主免疫，是一种有前景的肿瘤免疫治疗策略。然而，免疫原性不足和免疫抑制性的肿瘤微环境限制了原位肿瘤疫苗在结直肠癌（CRC）中的疗效。本文介绍了一种基于锰的多功能纳米平台（MnP@LNP），用于化学动力学治疗和原位肿瘤疫苗接种，以实现CRC免疫治疗。当MnP@LNPs遇到酸性肿瘤微环境时，会持续释放Mn²⁺并产生具有高度破坏性的羟基自由基。通过直肠给药至原发肿瘤部位，MnP@LNPs单独使用可抑制71.0%的原发肿瘤，而与αPD-L1联合使用时，抑制率提高到83.8%，同时还能抑制远处肿瘤81.9%。MnP@LNPs的主要功能是通过诱导肿瘤细胞的免疫原性死亡来生成原位疫苗。释放的TAAs与作为佐剂的Mn²⁺共同激活cGAS-STING信号通路，驱动针对转移性肿瘤的系统性细胞毒性T淋巴细胞反应。此外，这种治疗策略还通过丰富有益微生物种群（如Alistipes和Dubosiella）并上调免疫刺激代谢物（如吲哚-3-醛和吲哚-3-乳酸）的水平，重新编程肠道微环境。总体而言，MnP@LNPs作为一种纳米治疗剂，能够在促进免疫友好的肠道生态系统的同时，协调局部到系统的抗肿瘤免疫，为CRC免疫治疗提供了一个有前景的平台。

引言

结直肠癌（CRC）仍然是一种普遍且危及生命的恶性肿瘤，始终位列全球癌症相关死亡的主要原因之一[1]、[2]、[3]。近年来，利用肿瘤相关抗原（TAAs）和佐剂来启动和增强肿瘤特异性免疫的肿瘤疫苗在肿瘤学领域引起了广泛关注[4]、[5]、[6]、[7]。然而，肿瘤疫苗的治疗效果受到TAAs识别和合成以及肿瘤异质性驱动的免疫逃逸机制的限制[8]、[9]、[10]。为此，开发了原位肿瘤疫苗，通过诱导肿瘤细胞死亡来释放TAAs，从而无需选择外源性抗原。这些方法通常将局部肿瘤损伤方式与免疫刺激剂结合，将肿瘤转化为自身的“疫苗工厂”[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。鉴于CRC通常被归类为“冷”肿瘤，因此创建一种原位疫苗以有效将其转化为免疫原性部位是一个紧迫且未满足的需求。

原位肿瘤疫苗利用局部治疗干预来诱导肿瘤细胞的免疫原性死亡（ICD），释放多种TAAs。这些内源性抗原与免疫佐剂结合，形成的原位肿瘤疫苗能够有效激发先天性和适应性免疫反应，从而产生持久而强大的抗肿瘤免疫[16]、[17]、[18]、[19]。目前广泛研究的佐剂包括传统矿物盐（如铝盐[20]）、基于病原体相关分子模式（PAMP）的免疫增强剂（如TLR或STING激动剂[21]、[22]）以及递送系统型佐剂（如脂质体[23]、乳液[24]和胶束[25]、[26]）。然而，铝盐主要引发Th2偏好的体液反应，对细胞毒性T淋巴细胞（CTLs）的激活效果较差；基于PAMP的激动剂具有高度反应性，通常需要局部给药以避免全身毒性；递送系统型佐剂通常缺乏强烈的内在免疫刺激活性，并且对抗原递送的控制有限[21]。为了解决这些问题，锰（Mn）成为了一个特别有前景的候选物质。值得注意的是，Mn²⁺具有强大的佐剂效应，可以激活cGAS-STING信号通路，增强I型干扰素（IFN-I）和促炎细胞因子的产生，同时促进抗原的摄取、呈递和生发中心形成，从而驱动强大的体液和细胞免疫反应[27]、[28]。此外，Mn²⁺还作为化学动力学治疗（CDT）的催化中心，在酸性和过氧化物丰富的肿瘤微环境（TME）中引发类似Fenton的反应，生成高细胞毒性的羟基自由基（•OH）[29]、[30]、[31]、[32]。•OH触发肿瘤细胞的ICD并促进TAAs的释放，有效地将死亡的肿瘤细胞转化为个性化的原位疫苗。然而，基于锰的纳米颗粒（NPs）在CRC治疗中的应用仍受到现有递送系统的限制。传统的MnO₂ NPs和聚合物-Mn配位网络的穿透结肠黏液屏障的能力有限，这削弱了它们的治疗效果。

在这里，我们利用Mn²⁺的双重功能，设计了一种能够穿透黏液的纳米治疗剂（MnP@LNP），在酸性TME中生成大量•OH并释放Mn²⁺，以实现强大的原位肿瘤疫苗接种，用于CRC免疫治疗。MnP@LNPs具有明确的均匀球形核壳结构，由包裹着桑叶提取脂质（MLLs）和Pluronic F127（PF-127）的锰磷酸盐NPs组成（图1a）。当MnP@LNPs到达结直肠TME时，会引发CDT介导的氧化应激，有效诱导肿瘤细胞的ICD并促进TAAs的释放。同时，Mn²⁺强烈激活cGAS-STING信号通路，增强IFN-I的产生并加强CDT引发的原位肿瘤疫苗接种效果。值得注意的是，MnP@LNPs还被发现能够有效重塑肠道微生物群，并提高免疫刺激代谢物（如吲哚-3-乳酸（ILA）和吲哚-3-羧醛（I3A）[33]）的水平，形成一个协同机制，共同将免疫抑制性环境转变为免疫响应性环境。总体而言，通过增强TAAs的交叉呈递和激发持久的系统性抗肿瘤免疫，MnP@LNP敏感的原位疫苗接种策略能够显著增强CTL驱动的肿瘤清除效果，与免疫检查点阻断疗法联合使用时，对原发性和转移性CRC病变均显示出更好的治疗效果（图1b）。

章节片段

MnP NPs的合成

MnP NPs是通过反向微乳技术[34]合成的。简要来说，在烧杯A中制备了均匀混合物，包含160 mL环己烷、19.2 mL 1-己醇和48 mL Tween-80，然后加入MnCl₂溶液（100 mM，14 mL），剧烈搅拌30分钟。随后，在烧杯B中制备了相同的配方，包含160 mL环己烷、19.2 mL 1-己醇、48 mL Tween-80和磷酸氢钠（Na₂HPO₄，100 mM，14 mL）

MnP@LNPs的制备和物理化学表征

为了克服结直肠肿瘤中的免疫逃逸问题，我们开发了一种基于MnP NPs的创新纳米疫苗驱动的免疫治疗纳米平台。通过合理的纳米疫苗设计策略，采用微乳法将MnCl₂和Na₂HPO₄结合在一起制备MnP NPs。通过系统筛选制备参数，确定了最佳的配方，实现了最小的颗粒尺寸和最低的多分散性指数（PDI）

结论

在这项研究中，我们开发了一种基于锰纳米平台（MnP@LNP）的多功能纳米疫苗，用于结直肠癌（CRC）免疫治疗。在没有外加激活刺激的情况下，通过H⁺加速的Mn²⁺释放以及Mn²⁺催化的类似Fenton的反应，在酸性和过氧化氢丰富的结直肠肿瘤微环境中轻松生成了大量羟基自由基。经直肠给药后，MnP@LNPs表现出强大的抗肿瘤效果

CRediT作者贡献声明

瑞L·雷伊斯：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学。苏巴斯C·昆杜：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究。肖波：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法学，资金获取，概念构思。坤阳：撰写 – 初稿，可视化，验证，研究。强高：可视化，方法学，研究。海婷徐：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，监督，方法学

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可向相应作者索取。

竞争利益声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了四川省自然科学基金（2026NSFSCZY0150）、国家自然科学基金（82472132和32401170）、重庆自然科学基金（CSTB2023NSCQ-MSX0422）、重庆市财政基金项目（24506C）、重庆市教育委员会的科学技术研究计划（KJQN202300223）以及四川省科学技术计划（2024YFFK0345）的支持。