一种pH敏感的聚前药纳米反应器，通过程序性消耗肿瘤特异性乳酸和抑制吲哚胺2,3-双加氧酶1来缓解免疫抑制作用

《Journal of Controlled Release》：A pH-sensitive polyprodrug nanoreactor to alleviate immunosuppression by programmed tumor-specific lactate depletion and indoleamine 2,3-dioxygenase 1 inhibition

　　

作者：何硕、王静宇、黄志晨、韩欣茹、李家航、马萍、窦若水、刘少琴、杨奎坤、王勇

北京中医药大学医院，中国北京 101121

摘要

尽管基于乳酸氧化酶（LOX）的纳米平台在调节免疫抑制性肿瘤微环境（TME）方面受到了广泛关注，但其临床应用受到限制，因为大多数纳米酶依赖肿瘤内注射来确保肿瘤特异性的乳酸消耗并避免潜在的副作用。在这里，我们报道了一种负载LOX的聚前药纳米反应器，该纳米反应器具有可调的膜通透性，能够在酸性肿瘤微环境下响应并选择性消耗肿瘤中的乳酸。此外，LOX催化的乳酸氧化可以生成大量的H₂O₂，从而促进NLG919从前药纳米反应器中释放，通过协同的乳酸消耗和NLG919介导的吲哚胺2,3-双加氧酶1（IDO-1）抑制作用来重新编程免疫抑制性TME。因此，这种智能聚前药纳米反应器在静脉注射后可以引发强烈的抗肿瘤免疫反应，尤其是在与PD-L1检查点阻断联合使用时，能够有效且持久地抑制原发性和转移性肿瘤，而无需担心全身毒性。

引言

癌症免疫疗法已成为治疗各种恶性肿瘤的有效方法。然而，只有约15%的癌症患者从当前的免疫疗法策略中受益，包括癌症疫苗、免疫检查点阻断疗法和嵌合抗原受体（CAR）T细胞疗法，这主要是由于形成了免疫抑制性肿瘤微环境（TME）。[1],[2],[3] 高糖酵解的肿瘤细胞通过Warburg效应迅速将葡萄糖转化为大量乳酸[4],[5],[6]，而肿瘤内积累的乳酸可以抑制产生IFN-γ的T细胞和NK细胞的浸润和激活，促进肿瘤相关巨噬细胞的M2极化，并减少肿瘤中的促炎细胞因子的产生[7],[8],[9],[10]。此外，肿瘤中的过量乳酸还作为碳源支持调节性T细胞（Tregs）的增殖并增强其免疫抑制功能，从而加剧TME内的免疫抑制[11],[12]。因此，降低TME中的乳酸浓度对于减轻肿瘤免疫抑制和提高癌症免疫疗法的效果至关重要。

已有大量研究报道通过失活单羧酸转运蛋白（MCTs）的乳酸-质子转运体[13],[14],[15]或抑制乳酸脱氢酶（LDH）来调节TME中的乳酸浓度，后者对于催化丙酮酸转化为乳酸至关重要[16],[17]。然而，失活的MCTs可能会激活氧化性癌细胞中的葡萄糖消耗并促进肿瘤扩张，而LDH抑制剂则不可避免地会扰乱正常细胞的代谢并引起严重的副作用[18]。需要寻找替代策略来降低肿瘤内的乳酸水平，同时不损害健康组织。

与通过MCT和LDH抑制剂阻断乳酸生成和分泌相比，乳酸氧化酶（LOX）可以通过催化乳酸氧化为丙酮酸和H₂O₂来直接消耗乳酸，从而减轻免疫抑制性TME并增强抗肿瘤免疫[19]。尽管LOX介导的乳酸消耗具有优势，但由于LOX在循环中的血清稳定性低和半衰期短，其临床应用受到限制[20],[21]。此外，循环中的乳酸可能被肿瘤和大多数正常组织作为主要碳源利用，因此需要选择性消耗肿瘤内的乳酸而不影响正常组织中的乳酸浓度[22],[23]。尽管已经开发了多种纳米平台（包括纳米颗粒、纳米胶囊和纳米酶）来提高LOX的稳定性和抗肿瘤效果，但这些纳米载体的给药主要依赖于肿瘤内注射，以避免非特异性的乳酸消耗，这显著限制了它们在肿瘤免疫疗法中的广泛应用[24],[25],[26]。除了非特异性的乳酸消耗和相关的副作用外，由于免疫抑制性TME的存在，单独基于LOX的免疫疗法还存在抗肿瘤免疫效果不足的问题。除了乳酸介导的肿瘤免疫逃逸外，肿瘤中丰富的吲哚胺2,3-双加氧酶1（IDO-1）还通过促进色氨酸（Trp）的消耗和犬尿氨酸（Kyn）的积累，进一步促进了免疫抑制性代谢微环境的发展[27],[28],[29]。因此，将LOX治疗与IDO-1抑制剂（如NLG919）结合使用是一种合理的双重靶向策略，可以协同缓解肿瘤免疫抑制并抑制肿瘤生长。因此，将肿瘤特异性乳酸消耗与IDO-1抑制相结合是一种合理的双重靶向策略，可以协同缓解肿瘤中的代谢免疫抑制。

在这里，我们提出了一种负载LOX的肿瘤酸度响应型聚前药纳米反应器（LAPN），用于协同调节免疫抑制性TME。LAPN由亲水性聚乙二醇（PEG）的嵌段共聚物、含有酸度响应性三级胺的单体以及H₂O₂响应性NLG919前药单体组成，允许将LOX装载到聚前药纳米工厂的水相空腔中（图1A）。与单独基于LOX或NLG919的纳米平台相比，LAPN在重新编程免疫抑制性TME方面具有优势，原因如下：1）LOX在LAPN中的封装确保了全身给药后的长期稳定性和循环时间延长。2）静脉注射后在肿瘤部位积累后，LAPN在轻微酸性的TME环境中表现出增加的膜通透性，从而使乳酸能够渗透到纳米反应器的水相空腔中，启动LOX催化的乳酸氧化。因此，LAPN作为智能纳米催化剂，在肿瘤病变中实现高度选择性的乳酸消耗，并消除了与非特异性乳酸消耗相关的潜在副作用。3）在激活的LAPN中，乳酸的氧化伴随着H₂O₂的生成，这有助于通过H₂O₂响应性草酸酯连接物的断裂促进NLG919从前药纳米反应器中释放。程序化的肿瘤特异性乳酸消耗和NLG919介导的IDO-1抑制协同减轻了免疫抑制性TME，从而增强了抗肿瘤免疫，为通过静脉注射的聚前药纳米反应器实现的高效癌症免疫疗法铺平了道路（图1B）。

章节片段

LOX负载聚前药纳米反应器的制备和表征

为了制备定义明确的聚前药纳米反应器，根据报道的程序合成了含有肿瘤酸度响应性三级胺的单体（2-(azepan-1-yl)ethyl methacrylate, TM），并通过¹H NMR光谱对其进行了结构表征（图S1和S2）[30],[31]。H₂O₂响应性NLG919前药单体（NPM）是通过将NLG919与2-羟基乙基甲基丙烯酸酯单体通过草酸酯连接物连接而合成的（图S3和S4）。

结论

已有研究表明，丰富的乳酸和过度活跃的IDO-1是导致免疫抑制性TME的主要因素，这迫切需要有效地、特异性地消耗乳酸并抑制肿瘤中的IDO-1活性，以提高免疫疗法的抗肿瘤效果[7],[8],[9],[10],[11],[12],[27],[28],[29]。尽管已经开发了多种平台来通过降低肿瘤病变中的乳酸和IDO-1水平来调节免疫抑制性TME，但仍然...

CRediT作者贡献声明

何硕： 方法学、研究。王静宇： 方法学、研究。黄志晨： 研究。韩欣茹： 研究。李家航： 研究。马萍： 研究。窦若水： 研究。刘少琴： 监督、项目管理、概念设计。杨奎坤： 文章撰写-审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、资源管理、项目管理、研究、资金获取、正式分析、概念设计。

致谢

本工作得到了非传染性疾病-国家科学技术重大项目（项目编号：2023ZD0502605）对Y. W.的支持，国家自然科学基金（项目编号：82202316）对K. Y.的支持，哈尔滨工业大学原创前沿探索基金（项目编号：HIT.OCEF.2022029）对K. Y.的支持，以及哈尔滨工业大学创业基金对K. Y.的支持。