工程化细胞外囊泡递送mRNA用于癌症靶向免疫治疗
近年来,信使RNA(mRNA)在各种临床应用中展示了巨大的治疗潜力。然而,如何实现组织和细胞的靶向递送仍然是当前mRNA基因治疗面临的主要挑战。细胞外囊泡(EVs)具有优异的稳定性、生物安全性和相容性,以及能够穿越血脑屏障等优点,逐渐成为mRNA基因治疗的递送载体。虽然小型EVs(sEVs)已成功用于递送全长序列的mRNA进行癌症治疗,但尚有报导来评估携带特异性mRNA的sEVs,用于恢复肿瘤免疫原性和提高肿瘤免疫治疗的效果。
近日,Nature Communications杂志发表一篇文章,介绍了一种微流控电穿孔系统,结合两步脉冲刺激方法,以产生大量过表达CD64的sEVs,并在其内部招募能够表达 IFN-γ 的mRNA。在这些治疗性sEVs中,CD64作为抗CD71和抗PD-L1抗体的对接位点,以促进sEV靶向到胶质母细胞瘤细胞(GBM)。该研究展示了这些免疫sEVs(imsEVs)可以成功靶向GBM并在体内诱导免疫疗效。此外,这种imsEV在到达肿瘤微环境后,可以引起主要组织相容性复合物I(MHC-I)的表达上调,避免可能由其下调触发的免疫逃逸,从而增强免疫疗法的抗肿瘤效果。这种imsEV是一种可以实现mRNA装载、肿瘤靶向和微环境调节,以提高癌症免疫疗法有效性的潜在方法。
大规模生产imsEV和其治疗机制示意图。作为mRNA的递送工具,使用纳秒电穿孔(nsEP)系统生成imsEV,并同时加载抗CD71、抗PD-L1和IFN-γ的 mRNA,用于GBM的治疗
通过纳秒脉冲电穿孔 (nsEP) 高通量生成sEV
通过nsEP系统大规模生成sEV。a.用于生成sEV的nsEP系统示意图.b. 小鼠胚胎成纤维细胞 (MEF) 在未经处理的对照组、微秒电穿孔脉冲 (msEP)、nsEP 和 nsEP/PBS 治疗组中每个细胞产生的的 sEV 数。
为了设计一个能够产生高效mRNA负载sEVs的电穿孔系统,源细胞需要经历两步电穿孔过程。首先,使用纳秒电穿脉冲瞬时渗透源细胞内部的细胞器膜结构,然后将其暴露于透化细胞质膜的毫秒脉冲中。这种纳秒脉冲电穿孔(nsEP)方法可以提高细胞的转染性能,并大规模生成sEVs。nsEP 刺激的细胞分泌的 sEV 与天然分泌组(未处理的对照)分泌的 sEV 的大小分布相似,具有相同的形态特征,均约 120 nm 大小。调整nsEP的脉冲参数可以进一步优化sEV分泌量,最多可使小鼠胚胎成纤维细胞(MEFs)的sEV产量相对于对照组增加了45倍。通过微流控设置和多个单元并行运行,可以实现 sEV 的大产能和高吞吐量生产 (5.0 × 107细胞在 5 分钟内),对于许多临床应用来说就足以处理所需要的时间以及递送所需要的sEV 的数量。
RT-qPCR检测IFN-γ mRNA表明,nsEP处理产生的sEVs含有比其他方法产生的sEVs含有更多的mRNA,比对照样品高了1000倍。
imsEVs的制备和表征
为了制备imsEVs用于GBM的免疫治疗,首先构建了一个稳定表达CD64-DsRed(CD64-DsRed+)的MEF细胞系。使CD64表达于我们生产的sEVs的表面,并确认CD64的N-端定位于这些sEVs的外部表面。为了实现目标 mRNA 主动加载到 sEV 中,我们利用了 N 肽,它能特异性地结合 RNA 中的 box B 序列。我们将 N 肽克隆到 CD64 蛋白的 C 末端(最后位于 sEV 内部),同时通过工程化IFN-γ 质粒,将box B 序列整合到IFN-γ mRNA 的 3' 端。简而言之,融合到 CD64 C 末端的 N 肽能够特异性结合box B 序列,将 IFN-γ mRNA 募集到 sEV 中。然后,将box B-IFN-γ或对照IFN-γ转染到稳定表达CD64-N肽的MEF中,并通过RT-qPCR分析收集分泌的sEV中的mRNA。后续的实验结果也验证了该主动装载策略实现募集特定mRNA进入imsEV。利用CD64(Fcγ受体)可以结合IgG重链的恒定区。随后将抗CD71(GBM靶向)和抗PD-L1(免疫疗法)抗体与sEVs分别共孵育,达到将其附着到imsEVs的表面,以使其能够特异性地靶向GBM,产生免疫治疗效果。
sEVs和imsEVs的收集和纯化
sEVs的收集和纯化是通过超速离心法进行的。在细胞转染之前,去除含血清的细胞培养基。纳秒电穿孔(nsEP)后,细胞在不含外泌体的培养基中培养48小时。然后,将细胞培养上清液在2000×g下离心10分钟以去除碎片,大型囊泡和凋亡体在10000×g下离心30分钟以去除。最后,通过超速离心法在100,000×g下纯化sEV。为了制备imsEVs,CD64-sEVs与抗CD71 mAb和抗PD-L1 mAb(1:1:3,w/w/w,CD64-sEV按蛋白质质量计)在37℃下孵育2小时。随后,通过超速离心法在100,000×g下离心2小时去除游离抗体。
sEV、CD64-sEV、imsEV的Cryo-EM照片
imsEV在临床前模型中的治疗效果
通过溶血毒性实验以及小鼠生物安全性和生物相容性实验,验证了这些imsEV在体内给药的安全性问题之后。作者选择GBM作为临床前模型系统,用于研究imsEV在体内的免疫治疗潜力。GBM是一种侵袭性肿瘤,目前没有有效的治疗方法,并且对免疫治疗没有反应。另一个主要障碍是肿瘤表面的MHC-I蛋白下调所导致的抗原呈递不良。低突变载量,相应的浸润性T细胞和M1巨噬细胞很少,加剧了MHC-I的下调,形成了高度免疫抑制的肿瘤微环境。
组织分布分析表明,imsEV在肝脏蓄积低的情况下显示出更高的脑靶向性
将5×1011的imsEV剂量静脉注射到植入GL261肿瘤的具有免疫能力小鼠中,这些肿瘤具有适当的免疫原性。体内成像系统(IVIS)的结果显示,与非靶向sEV相比,注射后2和4小时肿瘤内 imsEV 的积累显着增加,肝脏积累相应减少,结果表明imsEV具有显著的肿瘤靶向能力。
imsEV治疗延长了GL261胶质瘤小鼠的生存期
将imsEV每3天给予GL261肿瘤携带的小鼠,可显著抑制肿瘤生长,并延长存活时间,imsEV处理小鼠的中位存活时间为53天,而抗体组合处理小鼠的中位存活时间为35天,对照组为29天。
作者继续研究了其在原位SB28小鼠GBM模型中的抗肿瘤作用,该模型由于其固有MHC-I低表达,并且表型与人GBM相似。与在GL261模型中的观察的结果类似,imsEV在SB28肿瘤中的积累程度比非靶向sEVs更高,在imsEV治疗后肿瘤生长也大大减少了,生存时间得到了延长(imsEV治疗组的中位生存时间为50天,而PBS治疗组的中位生存时间为27天)。
总之,该研究发明了一种高效生产具有靶向功能的sEVs载体,并将其用于递送目的mRNA的方案。该方法为癌症免疫治疗开辟了新的道路,为提高免疫耐药肿瘤的响应性开辟新途径。当然,在人类临床环境中应用改良的 sEV 之前,需要进一步的完善其生产、稳定性、质量控制和安全性评估等方面信息,同时必须进行临床前研究并严格遵守相应的监管指南。
● 文章来源:
Dong, S., Liu, X., Bi, Y. et al. Adaptive design of mRNA-loaded extracellular vesicles for targeted immunotherapy of cancer. Nat Commun 14, 6610 (2023).
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