一出手就是Nature Materials，两院院士生物材料新进展！

Natt

2020-05-20

非天然糖的代谢糖工程化提供了一种强大的工具，可以用化学标签标记细胞膜，以便随后通过有效的化学方法靶向输送感兴趣的分子。这项技术已被用于癌症靶向化疗、光热疗法和光声疗法的开发，最近的努力已将其扩展到癌症免疫治疗领域。然而，到目前为止，尚未探索免疫细胞（特别是树突状细胞（DC））的直接代谢标记和靶向调节。由于树突状细胞作为适应性免疫反应的介质，是肿瘤免疫治疗的重要靶点。

树突状细胞DCs

树突状细胞是人体抵御入侵者的第一道防线，它像哨兵一样驻扎在我们身体的所有外表面和内表面以及大部分器官中。当他们检测到异物时，它们变得活跃并迁移到淋巴结中，在那里它们将异物呈现给B细胞和T细胞以启动保护性反应。

DCs在骨髓中产生，迁移至淋巴和外周组织，并在病原体或肿瘤抗原的背景下成熟。DCs已被荧光或放射标记离体追踪其经过继性转移后的生物分布，但缺乏在原位特异性标记树突状细胞以进行后续追踪和靶向调节的技术。通过独特的标记物在体内靶向树突状细胞，可以跟踪其迁移，并靶向传递免疫调节剂，以改善效应T细胞反应和整体抗肿瘤效果。

成果简介

有鉴于此，生物材料大牛、哈佛大学David J. Mooney院士课题组创造了一种新的方法，即在体内成功使用工程糖分子标记DCs，即（画重点）使用可注射的成孔藻酸盐释放粒细胞巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）凝胶支架来集中DCs，然后将叠氮糖材料释放到聚集DC中，然后细胞进行代谢处理，细胞表面标记上了叠氮基团。相同的分子也用作靶标，从而允许通过“点击”化学作用将各种各样的分子（带有二苯基环辛炔（DBCO）的肿瘤抗原、佐剂、细胞因子和其他免疫调节剂）直接传递给DC，以调节其行为。

用这种方法可以很容易地产生肿瘤特异性的免疫反应，并且可以操纵DC-T细胞的相互作用来增强T细胞的启动。这项技术提供了前所未有的能力来操纵DC并调节DC在体内的相互作用，并将代谢标记的应用扩展到免疫疗法。

该项研究于5月18日发表在Nature Materials上，第一作者为该研究院的博士后王华博士，值得一提的是，王华博士于2018年同样以第一作者在Nature Materials上发表综述论文，综述了迄今开发的针对树突状细胞，T细胞，肿瘤相关巨噬细胞，髓样来源的抑制细胞，B细胞和自然杀伤细胞的靶向调节的免疫材料，并总结针对细胞的有望和面临的挑战免疫调节治疗癌症。

示意图

功能化、纳米化解决体内局限性

首次证实了常用的代谢标记试剂叠氮修饰甘露糖（Ac4ManAz）在体外用叠氮基基团标记DC2.4细胞的能力。但是呢，Ac4ManAz在体内使用却存在许多局限性，包括水溶性低、包封性差以及从水凝胶中突释。

为了解决这些问题，研究人员用丙烯酸酯键对Ac4ManAz的C1位点进行功能化，然后进行可逆加成-断裂链转移聚合反应（RAFT），得到聚叠氮糖n（n=25（G25）或n=400（G400））。然后分别通过G25和G400的纳米沉淀制备平均直径分别为70和130nm的G25和G400纳米颗粒（NPs）。

标记和功能化

按需释放

研究表明，G25和G400 NP能够以浓度依赖的方式进入DC2.4细胞和骨髓源DCs（BMDCs）并对其进行代谢标记。G400 NP的摄取不影响BMDCs的激活，且可通过超声触发释放，故G400 NP用于后续研究。

图|代谢标记DCs与按需释放

体内招募和标记DCs试验

研究小组然后将其植入活体小鼠体内。三天后，当支架内DCs浓度达到峰值时，将植入的支架暴露于超声波辐射下，这将使水凝胶支架的结合松动，并允许叠氮糖纳米颗粒被释放，随后被DCs摄取和处理。

为了测试叠氮糖分子如何可靠地追踪标记的树突状细胞，研究人员计算了小鼠淋巴结中叠氮阳性树突状细胞的数量。他们发现，与接受无超声支架或空白支架的小鼠相比，接受含糖水凝胶支架和超声治疗的小鼠淋巴结中存在大量叠氮阳性树突状细胞。叠氮标记物在淋巴结树突状细胞表面持续21天，表明它们可用于对树突状细胞活性的长期跟踪和研究。

体内招募并代谢标记含叠氮基团的树突状细胞

更进一步！调节DCs的行为

做到能够在活体内标记和跟踪DCs本身就是一项成就，但是该团队想要的不止这些，猜想可不可以使用相同的标记来控制DCs的行为？于此，研究人员转向了“点击化学”，推测叠氮的搭档二苯基环辛炔（DBCO）可以通过将分子“货物”直接附着在淋巴结中的DCs上，而将其传递给DCs。

理下思路：前面的植入水凝胶支架和超声已经将DCs带上叠氮基团了，然后他们再额外注射与叠氮基团match的DBCO，这个DBCO又额外连接上其他免疫细胞因子，然后在体内进行点击化学，使得DC带上细胞因子，然后对T细胞进行激活，进而杀死外来病菌等异物。

图|调节DC行为

研究人员使用荧光分子（Cy5），细胞因子（IL-15/IL-15Rα，出现在DCs表面会触发CD8⁺ T细胞和NK细胞的增殖）与DBCO偶联，然后在经过前面支架植入和超声后，进行注射，结果显示，接受靶向细胞因子的小鼠产生了针对肽的更强的T细胞反应，并且重要的是，没有显示出任何副作用，因为这种方法所需的细胞因子剂量比过去的研究低100倍。

点击即可抗击癌症的化学

最后，研究人员通过将E7或CpG与DBCO结合进行上一步同样的操作，以进行抗癌研究，结果显示出该系统能提供抗癌的全面保护，还可以有效治疗患有已确立的肺癌肿瘤的小鼠。这些实验证明了这种DC靶向肿瘤疫苗策略的有效性和广泛适用性。

图|有效的免疫应答

小结

这种DC标记和靶向调节技术为在体内操纵DC和调节DC-T细胞相互作用提供了前所未有的策略。该论文描述的靶向方法涉及皮下注射装载有趋化因子和叠氮基糖材料的凝胶，超声处理和DBCO修饰的癌症疫苗或免疫调节剂的给药，具有显著的临床转化潜力。

据悉，Mooney实验室正在继续探索可以通过该系统传递到DC的不同类型的分子，并计划将其应用于研究和介导其他免疫细胞相互作用。

参考文献：

Wang,H., et al. Metabolic labeling and targeted modulation of dendritic cells. Nat.Mater. (2020).

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0680-1

简介：

David Mooney

David Mooney，哈佛大学Wyss研究所的核心教员，是生物材料，机械转导，药物递送，组织工程和免疫工程领域的领导者。他是多个国家科学院的院士，因其研究和指导/教学而获得了多项奖项。发表了400多篇文章，并获得了多项专利，其中多项已获得公司许可，从而获得成功的商业产品。

主要研究领域：了解细胞如何感知其环境中的信号以及这如何改变细胞行为。他的实验室开发了利用这些信号来调节特定细胞及其功能的生物材料。他们是第一个在3-D培养中证明底物的机械特性决定干细胞命运的物质。他的实验室还开发了首个可植入生物材料癌症疫苗，其中包含生化线索以募集和重新教育免疫系统以破坏癌细胞。Dave的目标是将在细胞生物学方面的知识与材料结合起来，以提高治疗效果。