林 萱,毛 鐸,白瑞霞
1內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué),內(nèi)蒙古 呼和浩特 010110;2內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院檢驗科,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010017;3中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院精準醫(yī)學(xué)研究院,廣東 廣州 510080
乳腺癌已超越肺癌成為全球第1大癌癥,同時也是我國女性發(fā)病率最高的惡性疾病[1,2]。當前,最有希望的治療方法是腫瘤免疫治療,其主要應(yīng)用免疫學(xué)原理,通過激活或增強機體自身免疫應(yīng)答來殺傷腫瘤細胞,具有毒副作用小、療效持續(xù)時間長以及有效抑制腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移等優(yōu)點[3]。目前,已被開發(fā)的免疫療法主要包括:免疫檢查點抑制劑療法、CAR-T細胞療法、腫瘤疫苗療法和小分子藥物療法等[4],其中小分子藥物療法的一個重要研究方向是通過誘導(dǎo)免疫原性細胞死亡(ICD)激活免疫反應(yīng)。
ICD是指腫瘤細胞受到刺激釋放多種免疫損傷相關(guān)分子的一種死亡過程[5,6],其可刺激抗原提呈細胞成熟,進而提高CD8+T細胞的抗腫瘤功能,最終導(dǎo)致腫瘤生長抑制以及長期抗腫瘤免疫記憶[7]。因此如何更高效的誘導(dǎo)ICD是目前腫瘤免疫治療領(lǐng)域研究的熱點。常見的ICD誘導(dǎo)方法主要包括微生物誘導(dǎo)[8],化療藥物誘導(dǎo)(如蒽環(huán)類藥物、蛋白酶體抑制劑[9-11])以及物理誘導(dǎo)(如光動力療法(PDT)[12],電離輻射[13]和熱效應(yīng)[14]等)。
相較于其他方法,PDT具有低毒性、高特異選擇性和非創(chuàng)傷性等優(yōu)勢[15],在原位誘導(dǎo)腫瘤細胞ICD中具有巨大的優(yōu)勢與應(yīng)用前景。有研究表明,在PDT過程中,過量產(chǎn)生的ROS可引起腫瘤細胞中,包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體和高爾基體在內(nèi)的多種細胞器的氧化應(yīng)激損傷。其可導(dǎo)致腫瘤抗原與ICD相關(guān)分子的釋放,進一步激活抗腫瘤免疫反應(yīng)[16,17]。因此ROS生成對激活I(lǐng)CD信號通路至關(guān)重要,如何開發(fā)新型的ICD誘導(dǎo)光敏劑也成為目前藥學(xué)、材料化學(xué)以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。目前ICD誘導(dǎo)光敏材料主要包括有機小分子光敏劑與光敏納米粒子兩類。前者主要通過連接靶向基團來使光敏劑定向結(jié)合細胞內(nèi)重要細胞器,以達到精準殺傷癌細胞并誘導(dǎo)ICD 的目的[18]。金絲桃素是最具代表性的靶向性ICD誘導(dǎo)劑,其在光照條件下能產(chǎn)生高水平的ROS并誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氧化應(yīng)激[19]。另外,針對細胞線粒體或高爾基體等細胞器的靶向光敏劑也被不斷開發(fā)出來,它們被證明可以通過破壞特定細胞器膜結(jié)構(gòu)來誘導(dǎo)ICD過程,在提高腫瘤免疫治療中顯示出潛在的應(yīng)用價值[18,20]。目前,此類光敏劑仍處于研發(fā)早期階段,復(fù)雜的化學(xué)修飾會導(dǎo)致制造成本上升,另外更強的細胞暗毒性以及代謝毒性也限制了這類光敏劑進一步的臨床應(yīng)用[21]。另一方面,為了增強生物體內(nèi)的分散性與穩(wěn)定性,光敏劑還被雙親聚合物包裹形成納米粒子[22]。同時,多種化療藥物(如順鉑或阿霉素等)也可摻雜其中以協(xié)同增強ICD的治療效果。然而,納米粒子在體內(nèi)同樣面臨實體腫瘤滲透率低與代謝效果差等問題[23]。
在本研究中,為了解決以上光敏材料體內(nèi)應(yīng)用存在的諸如生物安全性與體內(nèi)代謝的問題,我們選取了3種具有臨床轉(zhuǎn)化潛力的商品化光敏劑,二氫卟吩e6(Ce6)、中性紅(NR)以及虎紅鈉鹽(RB),作為潛在的ICD誘導(dǎo)劑進行詳細生物學(xué)評估。由于具有優(yōu)異的光敏能力以及生物相容性,這3種光敏劑在預(yù)臨床光動力治療實驗中已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用,但其在ICD 免疫誘導(dǎo)效果方面尚未進行詳細評估。因此,本研究通過比較他們在腫瘤光動力療效、ICD 誘導(dǎo)能力和體內(nèi)抗腫瘤免疫治療效果方面的優(yōu)劣,試圖挑選出免疫激活效果最好、最具轉(zhuǎn)化前景的光敏劑,為臨床抗腫瘤免疫治療提供新的治療工具。
UV-1900i 紫外可見分光光度計(Shimadzu);FS5熒光光譜儀(Edinburgh Instruments);多功能酶標儀(Thermo Fisher Scientific);倒置熒光顯微鏡、激光掃描共聚焦顯微鏡(Olympus);流式細胞分析儀(BD)。
Ce6(百靈威科技有限公司);NR、ABDA 探針、DHR123 探針、Triton X-100(麥克林生化科技有限公司);RB、HE試劑盒(索萊寶科技有限公司);DCFH-DA探針(Sigma);HPF 探針(懋康生物科技有限公司);CCK-8試劑(東仁化學(xué)科技有限公司);1640培養(yǎng)基、胎牛血清、PBS(Biological Industries);含EDTA 胰酶(Gibco);AM/PI活死雙染試劑盒、TUNEL凋亡試劑盒(凱基生物科技發(fā)展有限公司);CRT一抗、HMGB1一抗(Abcam);Goat anti-Rabbit IgG(H+L)二抗(Thermo Scientific);ATP試劑盒、DAPI(碧云天生物技術(shù)有限公司);多聚甲醛(白鯊易科技有限公司)。
4T1:鼠源性乳腺癌細胞(廣州泰勒生物科技有限公司)。4T1是貼壁生長細胞,培養(yǎng)于含10% 胎牛血清(FBS)與1%PS的RPMI 1640培養(yǎng)基中,于37 ℃,5%CO2細胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。
動物:BALB/c雌性小鼠(廣東藥康生物科技有限公司)。小鼠飼養(yǎng)于SPF級環(huán)境中。實驗動物倫理批準編號:ZJCLA-IACUC-20030028。
將Ce6、NR、RB溶于超純水(終濃度:5 μmol/L),利用紫外可見分光光度計檢測其吸收光譜,利用熒光光譜儀檢測其熒光光譜。細胞外檢測藥物生成ROS效率,將Ce6、NR、RB溶于超純水或PBS(終濃度:10 μmol/L),分別加入ABDA、HPF、DHR123以及DCFH-DA,用紫外分光光度計檢測ABDA的吸光度;用熒光光譜儀檢測HPF、DHR123以及DCFH的熒光。
共聚焦皿中孵育4T1細胞(10萬/mL),加入Ce6、NR或RB溶液(終濃度:1 μmol/L),在細胞培養(yǎng)箱中孵育1 h,PBS洗3遍。每孔加300 μL4%多聚甲醛固定20 min,PBS洗3遍。再加入DAPI染色5 min,PBS洗過后在激光掃描共聚焦顯微鏡下觀察。
96孔板中過夜孵育4T1細胞(1萬/100 μL)。加入不同濃度的Ce6、NR或RB溶液,在細胞培養(yǎng)箱中孵育1 h后更換培養(yǎng)基。用60 mW/cm2白光照射6 min,過夜恢復(fù)。各孔加入CCK-8溶液繼續(xù)培養(yǎng)4 h,酶標儀測定各孔的A450nm,根據(jù)公式計算4T1細胞的存活率。
96孔板中孵育4T1細胞(1萬/100 μL)。加入Ce6、NR或RB溶液(終濃度:1 μmol/L),在細胞培養(yǎng)箱中孵育1 h后更換培養(yǎng)基。細胞通過60 mW/cm2白光照射6 min,過夜恢復(fù)。各孔加入AM/PI混合液染色40 min,PBS洗過后于倒置熒光顯微鏡觀察細胞活死情況。
12 孔板中過夜孵育4T1 細胞(10 萬/mL)。加入1 μmol/L 的Ce6、NR或RB溶液,在細胞培養(yǎng)箱中孵育1 h后更換培養(yǎng)基。加入DCFH-DA探針孵育20 min,PBS洗3遍。細胞通過60 mW/cm2白光照射4 min,于倒置熒光顯微鏡觀察熒光強弱。
共聚焦皿中孵育4T1細胞(10萬/mL),加入Ce6、NR 或RB 溶液(終濃度:1 μmol/L),在細胞培養(yǎng)箱中孵育1 h后更換培養(yǎng)基。細胞通過60 mW/cm2白光照射4 min,12 h后吸去培養(yǎng)基,每孔加300 μL 4%多聚甲醛固定20 min,PBS洗3遍。加入重組Anti-Calretinin抗體(1∶500)4 ℃過夜孵育,隨后用PBS 洗掉一抗后再加入Goat anti-Rabbit IgG (H+L) 二抗(1∶1000)室溫孵育1 h,PBS洗3遍。用DAPI染色5 min,PBS洗后在激光掃描共聚焦顯微鏡下觀察。
12孔板中孵育4T1細胞(10萬/mL),加入Ce6、NR或RB溶液(終濃度:1 μmol/L),在細胞培養(yǎng)箱中孵育1 h后更換培養(yǎng)基。細胞通過60 mW/cm2白光照射6 min,12 h后取上清液使用碧云天ATP檢測試劑盒檢測細胞上清液分泌的ATP含量。
共聚焦皿中孵育4T1細胞(10萬/mL),加入Ce6、NR或RB溶液(終濃度:1 μmol/L),在細胞培養(yǎng)箱中孵育1 h后更換培養(yǎng)基。細胞通過60 mW/cm2白光照射6 min,12 h后吸去培養(yǎng)基,每孔加300 μL 4%多聚甲醛固定20min,PBS洗3遍。0.1%TritonX-100通透15min,PBS洗3遍。加入重組Anti-HMGB1抗體(1∶250)4 ℃過夜孵育,隨后用PBS 洗掉一抗后再加入Goat anti-Rabbit IgG(H+L)二抗(1∶1000)室溫孵育1 h,PBS洗3遍。用DAPI染色5 min,PBS洗后在激光掃描共聚焦顯微鏡下觀察。
BALB/c 雌性小鼠6~8 周齡,體質(zhì)量18~20 g。BALB/c雌性小鼠背部皮下接種4T1細胞(100萬/只),14 d后在瘤內(nèi)分別注射Ce6和NR(注射劑量:30 μL,5 mg/mL),2 h 后腫瘤部位通過白光照射(10 min,400 mW/cm2)(5只/組)。隨后監(jiān)測小鼠的體質(zhì)量及腫瘤體積變化。治療14 d后取材,取腫瘤和脾臟組織。腫瘤和脾臟取一部分經(jīng)過研磨制成單細胞懸液,進行流式細胞術(shù)分析免疫指標,另一部分通過4%多聚甲醛固定,隨后切片進行HE染色,部分腫瘤切片進行TUNEL染色。
流式細胞術(shù)分析:脾臟通過研缽研磨為單細胞懸液,加入2 mL紅細胞裂解液室溫靜置2 min后1500 r/min離心10 min,稀釋到100萬/100 μL;腫瘤組織通過一型膠原酶消化30 min后1500 r/min離心10 min,稀釋到100萬/100 μL。加1 μL抗體4 ℃孵育1 h,1500 r/min,離心5 min。2%多聚甲醛于4 ℃固定保存。上機前PBS洗去固定液,重懸到500 μL過篩網(wǎng)后通過流式細胞儀檢測。
切片染色:腫瘤組織在4%多聚甲醛固定48 h,PBS浸泡10 min后于脫水機梯度脫水,第2天包埋后切片(厚度為4 μm)。染色時,切片通過脫蠟和復(fù)水,蘇木素染色4 min,蒸餾水清洗后分化液分化2 min,伊紅染色1 min后梯度乙醇快速脫水。最后,經(jīng)過二甲苯透明,中性樹脂封固,鏡下觀察。
TUNEL染色:組織切片經(jīng)過脫蠟和復(fù)水后PBS洗3遍,每次5 min。切片滴加100 μL 10×Proteinase K工作液于37 ℃反應(yīng)30 min,PBS洗3遍,5 min/次。加入提前配制好的TdT酶反應(yīng)液37 ℃避光反應(yīng)60 min,PBS洗3遍,5 min/次,注意避光。最后加入熒光標記液37 ℃避光反應(yīng)30 min,PBS洗3遍,5 min/次。用含DAPI的封閉液封片,鏡下觀察。
使用GraphPad prism 8.0進行統(tǒng)計分析。實驗符合正態(tài)分布的計量資料以均數(shù)±標準差表示,兩組間比較采用兩獨立樣本t檢驗,多組間比較采用單因素方差分析。P<0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。
紫外可見分光光度計檢測其吸收光譜,熒光光譜儀檢測其熒光光譜。Ce6在405 nm、640 nm處有特征性吸收峰,在650 nm 處有明顯的熒光發(fā)射峰;NR 在533 nm處有特征性吸收峰,在628 nm處有明顯的熒光發(fā)射峰;RB在534 nm處有特征性吸收峰,在554 nm處有明顯的熒光發(fā)射峰(圖1A、B)。
ROS是氧的單電子還原產(chǎn)物,包括單線態(tài)氧(1O2),超氧陰離子(O2-)和羥基自由基(·OH)等。2',7'-二氯熒光素二乙酸酯(DCFH-DA),是檢測ROS的商品化熒光探針。經(jīng)過白光照射處理,Ce6生成的總ROS明顯高于NR和RB,NR與RB在光照的前40 s內(nèi)沒有明顯差別,之后NR逐漸上升,RB則于80 s后趨于平穩(wěn)(圖1C)。利用更特異性的ROS 探針對3 種光敏劑所產(chǎn)生的ROS種類進行分析。通過378 nm處吸光度的變化來比較3種藥物生成1O2的效率,Ce6的吸光度下降最快,在3種藥物當中,Ce6的1O2生成效率最高,其次是RB和NR(圖1D)。羥苯基熒光素(HPF)和二氫羅丹明123(DHR 123)是在溶液中分別檢測·OH和O2-的特異性熒光探針。Ce6生成·OH和O2-的效率也明顯高于另外兩種光敏劑(圖1E,F(xiàn))。
圖1 Ce6、NR及RB吸收發(fā)射光譜及其ROS產(chǎn)率比較Fig.1 Optical properties and ROS production-inducing capacity of Ce6,NR and RB.A:Optical absorbance of the 3 agents.B: Fluorescence emission spectra of Ce6,NR and RB.C: Total ROS producing capacity measured by DCFH-DA.D:1O2-producing capacity measured by ABDA.E: · OH-producing capacity measured by HPF.F:O2--producing capacity measured by DHR123.White light irradiation:60 mW/cm2.
通過激光掃描共聚焦顯微鏡觀察藥物進入細胞的情況,確定光敏劑的細胞內(nèi)吞效果。在明場條件下可看到清晰的4T1細胞(圖2A)。分別通過530 nm和660 nm激光激發(fā)后,可觀察到明顯的熒光信號分布在細胞質(zhì)中(紅色信號),驗證藥物通過簡單體外孵育可以被腫瘤細胞攝取,3種光敏劑均具有良好的細胞攝取能力。
共聚焦圖片顯示未加藥組僅有微弱的綠色熒光(圖2B),這是因為細胞中本身存在低水平的ROS,與DCFH結(jié)合后會發(fā)出微弱熒光。光照加藥組有明顯的綠色熒光發(fā)出,其中Ce6的綠色熒光最強,進一步驗證Ce6是三者中ROS產(chǎn)率最高的光敏劑。
隨后,我們通過細胞活力檢測試劑盒(CCK-8)進一步評估不同光敏劑對腫瘤細胞殺傷效果的差異。經(jīng)不同濃度的3種光敏劑處理后,4T1細胞存活率均高于90%(圖2C),驗證3種光敏劑暗毒性很小,具有良好的生物相容性。然而在光照條件下,Ce6和NR隨著藥物濃度的提高均顯示出顯著的腫瘤細胞抑制效果,其IC50值分別為1.18 μmol/L和1.37 μmol/L。而RB的細胞光毒性要明顯弱于以上兩種藥物(IC50=4.92 μmol/L)。
圖2 Ce6、NR和RB藥物攝取及細胞毒性Fig.2 Cell uptake and cytotoxicity of Ce6,NR and RB.A: Confocal images of 4T1 tumor cells incubated with Ce6,NR and RB for 1 h.B:Detection of intracellular ROS level within photosensitizer-labeled 4T1 cells by DCFH-DA(green),followed by white light irradiation(4 min,60 mW/cm2).C:Cell viability of different photosensitizer-labeled 4T1 cells under white light irradiation(60 mW/cm2)for 6 min or maintained in darkness.
通過共聚焦成像系統(tǒng)觀察CRT表達情況(圖3A),通過光照處理后,與對照組相比,3種光敏劑均可顯著誘導(dǎo)腫瘤細胞膜的熒光信號,其中Ce6與NR組的細胞膜熒光明顯強于RB,驗證了Ce6與NR優(yōu)異的CRT蛋白誘導(dǎo)能力。同時,治療組的腫瘤細胞核HMGB1的熒光信號明顯弱于對照非處理組(圖3B),提示3種光敏藥物均能促進免疫激活蛋白HMGB1的分泌,利于抗腫瘤免疫反應(yīng)激活。最后,檢測細胞光動力治療后細胞上清液中ATP濃度(圖3C),Ce6釋放ATP能力顯著強于NR和RB,驗證Ce6具有優(yōu)異的誘導(dǎo)細胞凋亡和促進腫瘤細胞ATP外排的能力。
圖3 Ce6、NR和RB的ICD誘導(dǎo)能力評估Fig.3 ICD-inducing effect of Ce6,NR and RB in vitro.A:Confocal images of ecto-CRT(red)expression of different photosensitizertreated 4T1 cells,followed by white light irradiation for 4 min at 60 mW/cm2.B: Quantitative analysis of fluorescence of HMGB1 content in 4T1 cells with different treatments.C:Detection of ATP production in photosensitizer-treated 4T1 cells after 24 h of PDT(n=3,*P<0.05,***P<0.001).
由于RB的細胞毒性和ICD誘導(dǎo)能力較弱,因此在體內(nèi)實驗中僅比較Ce6與NR最終的體內(nèi)抗腫瘤效果。PBS組小鼠腫瘤組織生長迅速,而Ce6與NR組的腫瘤體積得到了顯著的抑制,其中Ce6治療組的腫瘤治療效果明顯好于NR組(圖4A)。對第14天的小鼠腫瘤組織進行切片與組織學(xué)分析,HE染色結(jié)果顯示,經(jīng)Ce6與NR加光照治療過的腫瘤組織出現(xiàn)明顯的腫瘤細胞壞死與炎癥細胞浸潤現(xiàn)象。TUNEL染色結(jié)果顯示,相對于PBS組,Ce6加光照射組的腫瘤組織中有最強的亮綠色熒光,NR的綠色熒光弱于Ce6,驗證Ce6能導(dǎo)致嚴重的腫瘤細胞凋亡與DNA釋放(圖4B)。體質(zhì)量變化監(jiān)測顯示,3組小鼠的體質(zhì)量在14 d的實驗期間沒有顯著差異(P>0.05,圖4C),驗證Ce6與NR具有良好的生物安全和生物相容性。
圖4 Ce6和NR體內(nèi)光動力治療效果Fig.4 In vivo PDT effect of Ce6 and NR (n=5,*P<0.05,***P<0.001).A: Tumor growth curve of mice with different treatments.B: HE (upper panel) and TUNEL (lower panel) stained tumor slices of mice with different treatments.C:Body weight changes of mice with different treatments.
通過流式細胞分析可知(圖5A,B),與對照組相比,Ce6照射后小鼠腫瘤組織中CD8+T細胞的比例增加至12.7%,其比例明顯高于NR 組與PBS 組的腫瘤組織(6.1%與3.9%)。小鼠脾細胞流式結(jié)果顯示,Ce6組的IFN-γ+CD8+水平是NR組的2.5倍,是對照組的23.6倍(圖5C,D)。
圖5 Ce6和NR光動力治療免疫學(xué)分析Fig.5 Immunological analysis of Ce6-and NR-treated mice after PDT.A,B: Flow cytometric analysis (A) and quantitative results (B) of CD8+ T cells in tumor tissues of mice with different treatments.C,D: Flow cytometric analysis (C) and quantitative results(D)of IFN-γ+CD8+T cells in spleen tissues of mice with different treatments(n=5,*P<0.05,**P<0.01).
近年來,PDT被認為可以潛在誘導(dǎo)ICD并激活獲得性免疫反應(yīng)用于實體腫瘤治療[24,25]。PDT是一種基于光化學(xué)原理的治療方法,其利用特定波長的光源照射光敏劑,導(dǎo)致光敏分子被激活產(chǎn)生能量躍遷,轉(zhuǎn)化周圍氧分子為多種ROS,進而實現(xiàn)腫瘤細胞的氧化損傷。目前,常見的ICD誘導(dǎo)光敏材料主要分為小分子細胞器靶向光敏劑與光敏納米粒子兩類。前者通常將小分子光敏劑經(jīng)化學(xué)修飾正電基團來實現(xiàn)線粒體或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細胞器特異性靶向,進而通過光動力治療觸發(fā)細胞器氧化損傷,引起ICD介導(dǎo)的抗腫瘤免疫反應(yīng)。例如,丁丹等[26]開發(fā)了線粒體靶向光敏分子,其可作為新型ICD疫苗在腫瘤預(yù)防中發(fā)揮重要作用。然而,此類材料在體內(nèi)通常會引起正常細胞非特異攝取以及溶血效應(yīng),極大限制其臨床應(yīng)用。另一方面,一些研究將光敏分子與其他藥物共同包裹成納米粒子,以達到腫瘤殺傷與ICD激活的協(xié)同治療效果[27],但納米粒子本身的體內(nèi)代謝與生物安全性問題同樣無法解決[28,29]。
相比之下,商品化非靶向小分子光敏劑則規(guī)避了以上問題,他們具有材料性質(zhì)穩(wěn)定、ROS產(chǎn)率高、暗毒性小以及體內(nèi)代謝快等特點,被廣泛應(yīng)用于多種疾病的光動力治療中。因此,為了規(guī)避體內(nèi)安全性問題推動ICD光敏療法的臨床轉(zhuǎn)化,對于現(xiàn)有商品化光敏劑的腫瘤免疫治療療效的評估與篩選至關(guān)重要,然而此類研究的報道相對較少。本研究對比了Ce6、NR 和RB三種小分子光敏劑,著重評價了它們的光敏效率、ICD誘導(dǎo)能力和PDT抗腫瘤治療效果。研究顯示,相對于另外兩種光敏劑,Ce6的腫瘤細胞殺傷效果最好,同時其ATP與CRT的誘導(dǎo)表達能力最強,是一種優(yōu)良的ICD誘導(dǎo)光敏劑。研究結(jié)果對于臨床實體腫瘤光動力免疫治療提供了重要的生物數(shù)據(jù)參考與理論支持?;诖?,研究人員未來可以進一步開發(fā)更具臨床轉(zhuǎn)化潛力的ICD光動力治療方案,同時也對今后ICD藥物開發(fā)提供重要的借鑒意義。