《中国恶性肿瘤学科发展报告（2022）》——纳米肿瘤学研究进展篇

2023-10-18 09:50

概述

癌症是严重危害我国人民生命健康的重大疾病。世界卫生组织国际癌症研究机构（IARC）最新数据显示：我国癌症发病率和死亡率在近十几年来持续上升，2020年新发癌症456.8万例，死亡300.2万例，均位居全球第一，癌症防治形势仍然十分严峻。中国抗癌协会提出“肿瘤防治，赢在整合”，推动肿瘤研究相关学者通过学科交叉和优势资源整合，共同提高我国肿瘤防治水平，服务“健康中国2030”战略目标。

自本世纪初以来，纳米科学和肿瘤学经历了飞速发展。由于纳米颗粒独特的尺度效应优势和临床上不断提高的肿瘤分子影像和精准药物递送要求，两个学科间的交融日渐紧密，并产出了一批基于纳米技术的分子影像造影剂和治疗药物。在纳米肿瘤诊疗技术大量“实验台到病床”的不懈尝试中，对纳米诊疗制剂临床优势的生物学基础和优势应用场景的认识也在不断深入，并不断促进纳米诊疗新技术和制剂的发展。本报告将简要介绍我国近年来在基于纳米技术的肿瘤诊断技术、放疗技术以及纳米载体在肿瘤基因治疗、免疫治疗和临床转化方面的最新进展，同时关注人工智能和微生物等学科理论和技术在纳米肿瘤学中的最新应用。

1. 肿瘤免疫分子影像研究进展

肿瘤免疫疗法的发展为患者带来了新的希望，但由于肿瘤内部复杂免疫抑制性微环境的存在，传统疫苗及免疫调控方法的疗效受到极大限制^[1]。厦门大学分子影像学组科研团队利用细胞膜仿生定向展示技术构建了影像可视化树突状细胞（DCs）囊泡疫苗平台（ASPIRE），提出肿瘤免疫治疗新策略^[2]。可视化ASPIRE疫苗系统将DCs膜作为一种天然的免疫活化信号转导载体，通过表面共刺激分子表达调控，介导多重共刺激信号递送，并最终实现多维度的抗肿瘤免疫活化。ASPIRE疫苗可以直接将抗原表位递呈至CD8+ T细胞，且不需要体内抗原递呈细胞的参与，这种抗原递呈模式很大程度上提高了免疫活化的效率。该团队还发现了CD80/86-CD28共刺激信号对于PD-1抗体疗法的必要性。ASPIRE系统首次将CD80/86与PD-1抗体进行共递送，实现了肿瘤免疫抑制的有效逆转及实时成像监控，促进了耗竭性T细胞的功能重塑，为个性化肿瘤疫苗研发提供了理论依据和创新方法。

此外，针对活性氧环境中T细胞衰竭而失去免疫活性的关键科学问题，学组科研团队通过化学生物学手段捕获T细胞膜表面的活性氧水平可以提升T细胞在氧化微环境中的免疫活性，同时该过程利用体系顺磁性的变化激活磁共振造影成像，实现了基于T细胞免疫活性的可视化调控和预后评价应用^[3]。上述系列创新研究工作结合医学影像、化学生物学以及生物工程学的交叉融合优势，有望为解决免疫细胞在体原位活性的调控和分子成像监控难题提供新思路。

2. 纳米肿瘤放射免疫联合治疗进展

临床肿瘤的常规治疗手段包括手术、化疗和放疗。但是，肿瘤一旦发生转移，现有治疗方案都有诸多局限性。放射治疗分为以大型射线机为放射源的外放疗和以植入体内的放射性同位素为源的内放疗，在临床中得到广泛的应用。但是放疗通常用来局部治疗实体肿瘤，难以有效清除转移后的弥散病灶。因此，亟需发展先进的肿瘤治疗手段。

辐射对肿瘤微环境的影响，不仅仅会形成抗肿瘤的远隔效应，也会产生促肿瘤的免疫抑制微环境。针对X射线促进远端肿瘤M2型巨噬细胞极化增多的现象，苏州大学杨凯团队应用脂质体作为药物递送载体，同时装载抑制糖酵解的甘露糖和免疫佐剂盐酸左旋咪唑，并进行PEG修饰制备长循环载药脂质体药物，靶向肿瘤组织，通过诱导M2型巨噬细胞发生过量的线粒体自噬，促进凋亡，逆转免疫抑制微环境，同时显著增强了远端肿瘤中IFN-γ阳性和颗粒酶B阳性的T细胞的比例，显著增强了放疗刺激产生的免疫杀伤效应，提出了一种针对于晚期乳腺癌的新型治疗策略^[4]。

同时，针对肿瘤缺氧微环境，杨凯团队设计了基于金属有机骨架和金铂颗粒的复合纳米氧发生器（APPs-PEG），稳定地标记放射性核素（¹⁷⁷Lu），催化肿瘤部位H₂O₂分解产生O₂，突破了内放疗对O₂的依赖性，并且远端肿瘤局部O₂的提高还进一步促进了IRT治疗引发的抗肿瘤免疫反应，促进了细胞毒性T细胞（CTLs）对实体瘤的浸润。并同时下调肿瘤细胞和调节性T细胞（Treg）的HIF-1α和c-Myc的表达，影响肿瘤细胞糖代谢，逆转免疫抑制微环境^[5]。通过靶向肿瘤的减毒沙门氏菌促进肿瘤部位中性粒细胞浸润，通过变性白蛋白包裹过氧化氢酶并将其递送至浸润在细菌感染的肿瘤组织中的中性粒细胞，生成氧气，增强对缺氧肿瘤细胞的放射治疗，由细菌的有效免疫刺激、产生氧气和肿瘤放疗协同引起的优化的肿瘤微环境将增强抗肿瘤免疫力^[6]。

为了发挥持久的内放疗作用，杨凯团队将¹³¹I标记的αPD-L1抗体固定在细菌纤维素中制备了一种可注射悬浮液，通过局部缓释和持久的内放疗作用，有效抑制小鼠原发性肿瘤的生长，同时增强癌细胞的免疫原性细胞死亡（ICD），激活多个免疫细胞的成熟，诱导全身抗肿瘤免疫作用^[7]。杨凯团队发展的多种基于生物材料的肿瘤放射免疫治疗策略，为肿瘤的高效治疗提供了新的策略，有望实现未来的临床转化。

3. 人工智能解析纳米粒递送机制进展

探索纳米药物在肿瘤血管的渗透机制是领域内的关键科学问题之一。目前，针对肿瘤的纳米药物设计原理主要是基于1986年发现的血管高渗透和组织长滞留（EPR）效应^[8]。然而，近年来随着研究的深入，研究者开始重新审视这一机制，部分学者也在研究中公开质疑纳米药物是否存在肿瘤血管的高渗透性^[9]，而导致这一问题存在争议的主要原因是缺乏有效的方法来量化纳米药物在肿瘤的血管渗透性。

为解决这一争议性问题，南开大学黄兴禄团队和合作者开发了一种基于人工智能的单血管定量分析方法（Nano-ISML），高通量量化纳米材料在肿瘤血管的渗透情况^[10]。利用这一方法，通过对建立的30多种不同肿瘤模型血管渗透情况进行数据挖掘分析（>67000根血管），系统揭示了肿瘤血管渗透存在极大异质性，发现不同肿瘤血管的渗透性存在>100倍的差异，并依赖肿瘤类型和血管类型。在此技术帮助下，他们也揭示了血管渗透异质性形成的生物学机制，即高、低渗透性血管分别依赖被动、主动的渗透机制。基于这些机制的解析，提出了针对高渗肿瘤和低渗肿瘤分类设计的新策略，从而为下一代个性化纳米药物的开发提供理论依据和设计原则。

另外，近年来纳米酶作为一种纳米药物在肿瘤治疗中发挥积极作用，该团队在人工智能助力纳米酶设计和开发方面取得多项进展，如：开发了一种可解释的机器学习模型，预测纳米酶的特征与类酶活性之间的关系，指导纳米酶的设计和合成^[11]，并在此基础上，进一步提出利用人工智能技术解决纳米酶设计中存在一些难题的新思路^[12]。

4. 基于纳米技术的肿瘤疫苗研究进展

肿瘤疫苗代表了一种可诱导机体特异性且持久性抗肿瘤免疫应答的治疗手段，对于改善临床肿瘤治疗具有广大的前景。然而，肿瘤抗原的免疫原性低、胞质递送效率低以及淋巴器官靶向性差等问题大大限制了肿瘤疫苗诱导抗肿瘤免疫反应的水平，进而导致临床治疗效果不佳。新型免疫佐剂的开发为改善肿瘤疫苗疗效提供了有力的策略^{[13, 14]}。干扰素基因刺激因子（STING）信号激动剂作为最具前景的免疫佐剂之一，其刺激抗原呈递细胞STING信号激活，诱导I型干扰素（IFN-I）分泌，从而促进肿瘤抗原的交叉呈递以及后续T淋巴细胞的增殖与活化^[15]。然而，游离形式的STING激动剂在作为免疫佐剂参与肿瘤疫苗设计时依然存在淋巴器官递送效率差以及不能改善抗原胞质释放等问题，这也是造成当前水溶性疫苗即肿瘤抗原与免疫佐剂的物理混合制剂临床治疗效果不佳的关键原因之一。因此，开发新一代疫苗制剂以协同促进淋巴器官内肿瘤抗原的胞质递送与STING信号的高效激活，对于改善肿瘤疫苗治疗具有重要的意义。

针对上述挑战，中国科学院上海药物研究所于海军研究团队首先证明了氧化铁纳米颗粒（IONPs）这一临床批准的成像造影剂，可通过诱导细胞内活性氧产生与STING激动剂协同刺激STING信号激活，诱导IFN-I大量分泌。随后设计合成了一系列酸可电离共聚物，并与IONPs和STING激动剂自组装构建酸可电离铁纳米佐剂文库。纳米佐剂可进一步包载并递送肿瘤模型抗原或自体肿瘤细胞膜抗原至引流淋巴结，在级联放大淋巴结内STING信号激活的同时，有效促进抗原的胞质递送与交叉呈递，最终诱导强烈的抗原特异性CD8+ T淋巴细胞反应，并在小鼠B16OVA黑色素瘤和MC38结直肠癌模型中表现出显著的肿瘤预防与生长抑制能力^{[16, 17]}。

5. 肿瘤原位治疗水凝胶植入系统进展

目前，手术切除仍然是大多数恶性实体肿瘤的主要治疗方式。为了防止肿瘤复发，临床上通常在术后辅以全身化疗/放疗来清除残余的癌细胞，但是这些方案一般都会产生明显的毒副作用，术后患者的顺应性差。局部药物递送体系能经一定给药方式使药物直接定位于术后创面，提高病灶处的药物浓度，并降低全身的药物水平和脱靶效应，从而以更小的剂量有效地防止肿瘤原位复发甚至远端转移，有望成为更理想的术后治疗方案^[18]。鉴于此，上海交通大学王飞虎团队和合作者构建了系列基于多肽的超分子前药水凝胶体系^[19]。该类水凝胶植入体系可显著增强化疗药物在肿瘤的滞留、诱导药物向肿瘤深层的渗透，其作为局部药物储库，能明显抑制肿瘤的生长、转移和肿瘤切除后的复发，并且减轻了化疗药物的脱靶副作用。该团队进一步将前药水凝胶体系用于免疫治疗剂局部递送和肿瘤免疫治疗的研究^[20-22]。这种联合化疗/免疫疗法可激发强大而持久的全身抗肿瘤免疫反应，进而诱导肿瘤的消退，抑制肿瘤复发转移并显著降低了免疫相关副作用，且为免疫治疗剂的瘤内递送提供了安全有效的途径。值得注意的是，针对脑胶质瘤独特的微环境中免疫抑制型细胞富集和细胞毒性T细胞匮乏的特性，该团队精准构筑一种紫杉醇前药的水凝胶系统用于免疫检测点抑制剂aCD47抗体的局部递送，通过“逆转”脑胶质瘤免疫抑制微环境，激活多模式抗肿瘤免疫反应,高效的抑制了脑胶质瘤的生长和术后复发^[23]。山东大学姜新义教授团队构建了一种可注射的仿生纳米免疫调节剂-水凝胶超结构递药系统，并成功应用于IDH1突变型恶性胶质母细胞瘤的术后免疫治疗^[24]。该水凝胶系统一方面增加T细胞的激活和脑内招募；另一方面调控氨基酸代谢消除Treg细胞的抑制作用，从而重塑“热肿瘤”杀伤免疫微环境阻止术后胶质瘤的复发。上述研究为创新水凝胶植入剂的开发奠定了基础并为肿瘤局部治疗策略提供了新方法和新思路。

6. 基因编辑肿瘤治疗进展

基因变异或表达失调是导致癌症的重要原因。基因编辑作为一种新型基因疗法，可以精准灭活或者修复癌症相关基因，在肿瘤治疗中具有巨大潜力。目前的基因编辑工具主要包括锌指核酸酶（ZFNs）、转录激活因子样效应核酸酶（TALENs）和成簇规律间隔短回文重复序列相关核酸酶（CRISPR/Cas）等。CRISPR/Cas系统最近已成为ZFNs和TALENs诱导靶向基因突变的一种简便和有效的替代品。然而将CRISPR/Cas传递到实体肿瘤以进行有效的癌症治疗仍然具有挑战性。

肿瘤治疗性基因编辑大致分为体外和体内基因编辑，体外的编辑相较于体内更为安全且易控制，应用最多的为过继性免疫细胞治疗。目前，广泛的研究表明基于体外CRISPR靶向T细胞的PD1可以增强过继转移后的抗肿瘤活性^[25,26]，且已有部分应用于临床试验^[27]。Eyquem等人使用CRISPR引导CAR至TRAC基因座，与随机整合在基因组的CAR相比，CAR-T细胞效能增加^[28]。此外，Stadtmauer等人首次报道了针对T细胞的TRAC、TRAB和PDCD1基因进行CRISPR/Cas9体外删除后移植回患者体内的临床试验，以此来改善抗肿瘤免疫反应^[29]，这些策略都可以增加癌症免疫治疗的抗肿瘤疗效。相较于体外疗法，体内治疗需要实现高效的肿瘤选择性递送和理想的编辑效率，在体内直接靶向肿瘤进行基因编辑应用于临床仍有一定难度，通过设计合适的非病毒载体递送基因编辑元件用于体内肿瘤治疗可有效针对上述问题。Daniel等人通过一种新型的氨基电离脂质LNP递送Cas9 mRNA和sgRNA，靶向作用于肿瘤部位的Plk1位点，在胶质母细胞瘤小鼠模型中实现了高效的基因编辑^[30]。此外有研究表明带负电荷的肝素核心和带正电荷的乙醇胺修饰的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（PGEA）外壳（命名为Hep@PGEA）组成的具有自加速释放的缩合核酸的响应性电荷逆转载体，可递送CRISPR/Cas9靶向作用于survivin基因，诱导细胞凋亡，并显示出较高的抗肿瘤效果^[31]。

7. 微生物活性材料的肿瘤治疗进展

近年来，随着对微生物与肿瘤关系的不断深入研究，使用微生物治疗肿瘤显示出独特的优势。例如，蓝藻可改善肿瘤乏氧微环境；双歧杆菌可改善肠道菌群，促进肿瘤免疫治疗；沙门氏菌则具有肿瘤靶向和抗肿瘤活性。然而，微生物治疗在体内应用存在一些明显的缺点，如单一微生物疗法治疗效果较弱；微生物在递送过程中及病灶部位的活性降低；部分微生物可能具有高致病性，导致全身产生副作用。为了解决这些问题，研究人员使用基因工程和材料修饰等多种手段来提高微生物的安全性和治疗效果^[32]。

在2022年，中国学者在该领域进行了深入的研究。例如聂广军团队和赵潇团队^[33]设计了一种在阿拉伯糖诱导下，能够分泌含有肿瘤特异性抗原的细菌外膜囊泡的基因工程细菌。分泌的细菌外膜囊泡能有效地穿过肠道上皮屏障，被固有层的免疫细胞识别，从而有效地激活特异性免疫反应。这种策略能够有效地抑制肿瘤生长，对于开发口服肿瘤疫苗具有巨大的潜力。刘庄团队^[34]运用基因工程技术成功设计了一种能够表达荧光素酶的减毒沙门氏菌。细菌被原位形成的水凝胶固定在肿瘤后，在荧光素的作用下能够持续激发光敏剂Ce6，从而实现小鼠黑色素瘤和兔子肝癌的光动力治疗。此外，这种光动力治疗还能够引发强大的抗肿瘤免疫反应，有效抑制肿瘤转移和预防肿瘤复发。张先正团队^[35]成功设计了一种能够过表达溶血素A蛋白的基因工程细菌，并且使用基质金属蛋白酶-2响应的多肽将Bi2S3纳米颗粒修饰在细菌表面。细菌靶向并定植在肿瘤后，表达的溶血素A蛋白能够将肿瘤细胞从放射抗性转化为放射敏感性。并且，响应性释放的Bi2S3纳米颗粒在X射线照射后能够产生活性氧对肿瘤进行联合治疗。这些研究为微生物治疗肿瘤的发展提供了新的思路和方法，同时也为微生物治疗应用于临床奠定了基础。

8. 抗肿瘤纳米药物临床研发进展

纳米药物在癌症治疗和诊断中得到了广泛应用，如提高药物稳定性、通过被动或主动靶向机制促进药物在肿瘤部位特异性积累、降低药物不良反应等^[36]。2022年至2023年4月中国仅有2款抗肿瘤纳米药物获批上市，分别是石药集团中诺药业的盐酸米托蒽醌脂质体和浙江智达药业的盐酸多柔比星脂质体。盐酸米托蒽醌脂质体前者为全球首个上市的米托蒽醌脂质体，用于治疗复发或难治的外周T细胞淋巴瘤。这是石药集团依靠其多年建立的脂质体技术平台自主研发的抗肿瘤纳米药物，具有完全知识产权，打破了我国在纳米药物领域长期仿制国外产品的困境。盐酸多柔比星脂质体是我国第4款上市的盐酸多柔比星的脂质体^[37]。

在抗肿瘤纳米药物的申报受理、在审及临床研究方面，2022年至2023年4月，品种主要包括盐酸伊立替康脂质体注射液（江苏恒瑞医药股份有限公司）、注射用两性霉素B脂质体（石药集团）、注射用紫杉醇阳离子脂质体（石药集团）、注射用JJH201601脂质体（江苏吉贝尔药业股份有限公司）、盐酸多柔比星脂质体注射液（齐鲁制药（海南）有限公司、常州吾合生物医药有限责任公司和浙江圣兆药物科技股份有限公司等）、注射用多西他赛聚合物胶束（山西康宝生物制品股份有限公司和先声药业有限公司）和顺铂胶束注射液（石药集团中奇制药）等产品。其中注射用JJH201601脂质体为抗肿瘤1类新药，其它品种以仿制和增加适应证的2.4类为主。值得注意的是，石药集团在此期间申报了2款2.2类新药，如果最终能够上市，将均为国际首创^[38,39]。

【主编】

李亚平中国科学院上海药物研究所

【副主编】

崔大祥上海交通大学

戴志飞北京大学

申有青浙江大学

常津天津大学

吴爱国中国科学院宁波材料技术与工程研究所

唐波山东师范大学

张鹏程上海科技大学

【编委】（按姓氏拼音排序）

代文兵北京大学

黄兴禄南开大学

刘刚厦门大学

毛峥伟浙江大学

平渊浙江大学

王飞虎上海交通大学

杨凯苏州大学

于海军中国科学院上海药物研究所

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