实体瘤中肿瘤细胞的快速和异常增殖，使新生血管生成畸形，导致肿瘤微环境长期处于乏氧状态。肿瘤乏氧微环境抑制了免疫细胞的活性与增殖，是当前肿瘤免疫治疗面临的最主要问题之一。因此，如何改善乏氧性肿瘤区域的氧合作用，同时扩增天然肿瘤免疫性T细胞数量及浸润能力，是癌症免疫治疗的一个重要问题。近日，中山大学医学院张旭东副教授团队在国际著名学术期刊Cell 子刊Cell Reports Physical Science（JCR Q1，IF：8.9）发表了题为“Engineered algae microrobots as photosynthetic living materials promote T cells’anti-tumor immunity”的研究论文。研究团队利用基因工程化手段，构建过表达三种肿瘤坏死因子（TNF）家族配体蛋白（OX40L，4-1BBL和CD70）的树突状细胞（DC2.4），提取细胞膜制备了工程化细胞膜囊泡和膜包被的小球藻，称为 “光合微藻机器人”，小球藻可以产生氧气改善肿瘤微环境的乏氧问题，同时细胞膜上的OX40L，4-1BBL 和CD70配体可以促进效应性T细胞的增殖、活性以及记忆性T细胞的形成，为肿瘤免疫治疗策略提供了新的思路。
在自然界中，以小球藻（Chlorella vulgaris）为代表的天然绿藻含有高浓度的叶绿素，可吸收宽光谱范围内的光，进行高效地光合作用产生氧气。除此以外，在胁迫条件下，小球藻可以快速生成一种GTP类似物ppGpp，使其可以在逆境中存活，从而保证小球藻在体内中的活性及产氧能力。最后，藻类分解的主要产物对哺乳动物细胞没有遗传副作用，还可以限制致癌物在人体吸收中的生物利用度，而没有明显的免疫反应诱导作用，进一步保障了小球藻在体内应用的安全性。但是，单纯解决肿瘤微环境乏氧问题，并不能够增强免疫治疗的有效性。肿瘤免疫的核心过程是效应T细胞对肿瘤细胞的直接杀伤作用，肿瘤特异性T细胞可以精准浸润到肿瘤组织中清除癌变细胞。因而，在肿瘤免疫治疗中，T细胞的活性和数量决定着免疫治疗的疗效。如何扩增天然肿瘤免疫性T细胞数量及增强其浸润能力，是进一步需要解决的重要问题。TNF家族分子通过协同T细胞抗原受体（TCR）和主要组织相容性复合体（MHC）信号共刺激来活化T细胞，T细胞表达的TNF家族受体，是T细胞活化和克隆增殖的关键信号分子。当DC细胞活化后， 4-1BBL，CD70和OX40L配体不仅可以诱导Bcl-2家族蛋白的表达，维持CD4+ T细胞和CD8+ T细胞的存活，还可以促进记忆性T细胞的形成。不仅如此，当肿瘤抗原二次出现，记忆性T细胞可以对此快速的产生响应，是预防肿瘤复发中的关键因素。因此，TNF家族受体是T细胞克隆增殖和记忆性T细胞形成的关键信号，DC细胞上的TNF家族信号轴是理想的药物设计靶标。而扩增天然获得性肿瘤免疫T细胞将成为一种新型免疫疗法，具有良好的临床应用和生物医药产业转化前景。(A) “光合微藻机器人”的制备过程。(B) “光合微藻机器人”与 PD-1 抗体联用抑制肿瘤的复发与转移。基于以上研究背景，张旭东副教授团队利用工程化DC细胞膜的修饰伪装策略，对小球藻进行包被修饰，制得“光合微藻机器人”（图1）。实验结果表明，“光合微藻机器人”在体外经红光照射可以高效产氧，有效改善肿瘤细胞的乏氧状态；同时，通过TNF配体蛋白，“光合微藻机器人”可以与T细胞结合，从而增强T细胞的活性。随后，体内乏氧探针检测表明，经过“光合微藻机器人”治疗的小鼠，其肿瘤组织中的乏氧情况得到了显著的缓解。进一步对小鼠术后模型和黑色素瘤肺转移模型进行研究，“光合微藻机器人”可以显著抑制黑色素瘤的复发和转移，增强T细胞的浸润，促进肿瘤特异性T细胞的浸润、活化与记忆性T细胞的增殖，提高了PD-1抗体的治疗疗效，改善了肿瘤乏氧免疫抑制性微环境。其中， “光合微藻机器人”联合PD-1抗体治疗组的小鼠，肿瘤组织中浸润的T细胞比例及记忆性T细胞的比例明显升高，并促进细胞因子（颗粒酶B、穿孔素等）的分泌，产生了强大的抗肿瘤免疫应答。综上所述，本研究利用高效产氧的小球藻作为活体生物载体，缓解肿瘤微环境乏氧，解除免疫抑制，增强免疫细胞浸润等问题。此外，利用工程化DC细胞膜做为小球藻的表面修饰，一方面可以避免小球藻被机体快速清除，另一方面，过表达的TNF配体蛋白，可以有效解决免疫细胞尤其是T细胞数量、活性及浸润受限等问题，为肿瘤免疫治疗提供了一种新的方式。该研究论文第一完成单位为：中山大学医学院，深圳市炎症性疾病系统医学重点实验室。中山大学医学院副研究员孟繁蔷为本研究论文第一作者，硕士生林仲达与马宇萌为共同第一作者。中山大学医学院张旭东副教授和广东医科大学基础医学院梁欣副教授为论文的共同通讯作者。这项工作得到了国家自然科学基金面上项目，广东省自然科学基金，深圳市优秀科技创新人才培养项目（优青项目），深圳市基础研究重点项目，中山大学青年教师重点培育和“逸仙学者计划”等项目的支持。Engineered algae microrobots as photosynthetic living materials promote T cells’ anti-tumour immunity. Cell Reports Physical Science, 2024, 5:102023.https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102023外泌体资讯网 Cell Rep Phys Sci｜中山大学张旭东团队：工程化细胞膜囊泡和“光合微藻机器人”促进T细胞肿瘤免疫活力
