巨噬细胞是一种免疫细胞，它们在人体内巡逻，寻找病毒、细菌和癌细胞等潜在威胁，并吞噬和摧毁这些威胁。然而，肿瘤有一个狡诈的计谋：它们分泌的物质会将到达的巨噬细胞从肿瘤杀伤状态（M1表型，产生一氧化氮、活性氧、TNFα、IL-12及其他产生炎症反应的细胞因子）转换到肿瘤促进状态（M2表型，通常与伤口愈合和组织再生相关），这种状态不仅抑制免疫反应，还会促进血管生长为肿瘤供能，并帮助肿瘤转移。在过继性细胞免疫治疗中，从体内提取巨噬细胞，迫使它们进入肿瘤杀伤状态，并重新输入人体与癌症抗争的努力都失败了，因为肿瘤会不懈地将巨噬细胞转换回促肿瘤状态。现在，来自哈佛大学的研究人员开发了一种新的方案来解决这一问题。他们为巨噬细胞设计了一种分泌细胞因子的“背包”，可使巨噬细胞在到达肿瘤部位后能保持肿瘤杀伤状态长达5天，并且还发现其在患有侵袭性乳腺癌的小鼠中可以减缓肿瘤生长、减少转移。这项研究结果于4月29日发表在 Science Advances 上 [1]。
图片来源：Science Advances[1]
文章第一作者C.Wyatt Shields说：“该研究揭示了巨噬细胞的美丽之处——它们是高度适应性细胞，对环境中的刺激反应非常强烈。但是，当它们受到一种刺激，让它们做一些实际上对身体有害的事情（比如帮助癌症生长或转移）时，也可能成为一个问题。我们已经证明，通过这些‘背包’颗粒提供持续的刺激以使巨噬细胞保持理想状态是可能的。我们希望这项技术有一天能用于治疗与免疫功能障碍有关的各种疾病。”巨噬细胞会与任何它们认为对身体有害的东西结合并吃掉它们。令人惊讶的是，本文通讯作者Samir Mitragotri教授实验室先前的研究表明，圆盘状的小颗粒可以在巨噬细胞上搭便车长达几天，而不会触发它们“吃我”的反应，从而提供一个机会来影响巨噬细胞的行为。
背包的圆盘形状（紫色）使它们能够附着在巨噬细胞（白色）上，且不会被吞噬和消化，有助于延长其“货物”的作用时间。（图片来源：哈佛大学Wyss研究所）
在这项研究中，研究小组构建了由两层生物相容性可降解聚合物聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）制成的背包，背包中间夹有聚乙烯醇（PVA）和细胞因子干扰素γ（IFNγ）。IFNγ是已知的巨噬细胞促炎反应的强效刺激因子，并已被证明可以缩小一些肿瘤的大小。最后研究人员添加了一层细胞粘附层，帮助它们粘附在巨噬细胞上，背包制作就完成了。Shields和同事们在体外将巨噬细胞与其背包颗粒混合，发现约87%的巨噬细胞表面会拾取1到4个背包，背包至少能停留5天而不被消灭，并且分泌IFNγ至少60小时。
3个背包（粉色）附在巨噬细胞（绿色和蓝色）上。（图片来源：哈佛大学Wyss研究所）
然后他们测试表明巨噬细胞处于对抗肿瘤的促炎（M1）状态或抗炎（M2）状态的各种标记物。携带IFNγ背包的巨噬细胞表达3个M1相关特性的强度远大于对照组（携带空白背包巨噬细胞或用游离IFNγ培养的巨噬细胞），而M2相关特性的表达变化不明显。此外，它们增加的M1特性表达持续的时间也比任何一个对照组都长，这表明IFNγ背包可以诱导巨噬细胞持久切换到M1状态。接下来，是时候进行真正的测试了，研究人员想看看他们的背包是否能在先前研究失败的地方获得成功：即将携带IFNγ背包的巨噬细胞引入活的肿瘤环境中，能否使其维持在M1状态。他们将携带背包的巨噬细胞注射到患有侵袭性转移性乳腺癌的小鼠肿瘤中，7天后对其进行评估。可喜的是，携带IFNγ背包的巨噬细胞至少在48小时内表达M1特性，其表达水平明显高于注射携带空白背包或经游离IFNγ培养的巨噬细胞。他们还发现，与对照组相比，接受IFNγ背包疗法治疗的小鼠，其转移性结节和肿瘤明显减少，并且寿命更长。在接受IFNγ背包疗法后，研究人员深入研究了肿瘤内部的情况，他们发现了一个令人惊讶的结果：携带背包的巨噬细胞不仅自身停留在M1状态，而且还帮助了肿瘤内的其他巨噬细胞——肿瘤相关巨噬细胞（Tumor-associated macrophage, TAM）从抗炎的M2状态恢复到促炎的M1状态，有效地激活它们来对抗那些“蛊惑”它们的肿瘤。此外，这一结果是在IFNγ剂量低于其他研究中使用的最大总剂量100倍的情况下实现的，并且小鼠没有显示出任何来自治疗的毒性迹象。Shield说：“巨噬细胞大约占肿瘤总重量的50%。如果我们能够将它们转换成M1状态并维持这种激活，它可以大大缩小肿瘤的尺寸，使免疫系统和化疗等治疗方法都能更好地接近癌细胞本身。”除了对肿瘤产生持续的促炎反应外，研究小组的背包疗法也可以用于相反的治疗：在患有类风湿关节炎、克罗恩病和红斑狼疮等过度炎症相关疾病的患者中，将巨噬细胞转变为抗炎状态。Mitragotri的实验室正在继续探索这项技术的不同应用，包括将不同的试剂装入背包，测试它们结合和控制其他类型细胞的能力。Mitragotri说：“改善药物递送是当今生物医学研究的一个热门话题，而细胞是实现这一目标的最佳载体之一，因为它们可以通过人体的防御屏障，高精度地到达目标。将一个living entity引入体内进行治疗的最大挑战是如何在注射后控制它，以便使其做你想做的事情。这项研究是在体内控制细胞新方法的一个有力地概念验证。我们认为它可以为治疗多种不同疾病提供一个多功能的平台。”相关论文：
[1] C. Wyatt Shields et al. Cellular backpacks for macrophage immunotherapy. Science Advances (2020).
参考资料：
1# “Backpacks” boost immune cells’ ability to kill cancer （来源：哈佛大学Wyss研究所官网）
2# 人体免疫细胞竟然促进肿瘤扩散？！《Nature》子刊解密巨噬细胞促癌作用！（来源：转化医学网）
