王朝辉/饶浪AM：生物基凝胶在癌症免疫治疗中的应用！

免疫疗法代表了癌症管理中的一场革命性范式转变，展示了其在阻止肿瘤转移和复发方面的潜力。然而，特别是在实体瘤中，经常会遇到疗效有限和严重的免疫相关副作用等挑战。水凝胶，作为一种具有良好水合结构的多功能材料，在生物医学领域被广泛用于以受控方式封装和释放小分子药物、生物大分子和细胞。免疫调节水凝胶具有通过封装多种组分和局部给药增强免疫激活和减轻系统毒性的独特能力。值得注意的是，基于生物聚合物的水凝胶因其生物相容性、环境友好性和生产便利性而受到显著关注。中国医学科学院药物研究所王朝辉&深圳湾实验室饶浪深入探讨了基于生物的水凝胶在癌症免疫疗法中的近期进展和协同组合方法，突出了其多样化的应用。本综述将指导癌症免疫疗法领域中水凝胶的合理设计，促进临床转化，并最终惠及患者。该研究以题为“Engineered Bio-Based Hydrogels for Cancer Immunotherapy”的论文发表在《Advanced Materials》上。

图1展示了工程化生物基水凝胶在癌症免疫治疗中的多种应用。这些水凝胶通过在不同阶段的癌症免疫周期中发挥作用，包括局部免疫治疗剂的递送、水凝胶疫苗植入或注射以在抗原呈递细胞的淋巴组织中呈现抗原和佐剂、直接或间接的免疫细胞封装/招募（例如树突状细胞、巨噬细胞、细胞毒性T细胞），以及与其他诱导免疫原性细胞死亡（ICD）的治疗或干预措施相结合，以放大免疫激活效果。这些多功能的水凝胶展示了它们在癌症免疫治疗中的多方面实用性。

图1. 工程化生物基水凝胶在癌症免疫周期中的多样化应用示意图

【生物基水凝胶：以生物聚合物为骨架的水凝胶】

图2展示了用于构建生物基水凝胶的代表性生物聚合物或混合聚合物的示意图，这些聚合物包括天然多糖、多肽和多核苷酸，它们通过物理或化学交联形成水凝胶。这些生物聚合物具有功能性侧链和丰富的电荷及氢键能力，使得它们能够通过多种机制形成水凝胶，如藻酸盐通过与二价阳离子形成“鸡蛋盒”模型，而壳聚糖则通过与阴离子的相互作用形成水凝胶。这些水凝胶在生物医学领域有着广泛的应用，包括药物递送、细胞递送、伤口愈合和组织工程等。

图2. 代表性生物聚合物或混合聚合物用于构建生物基水凝胶的示意图

【生物基水凝胶作为免疫调节剂的药物储库】

图3展示了一种生物响应性自增强丝素/丝胶蛋白水凝胶在免疫治疗中的应用，该水凝胶能够响应肿瘤微环境中的过氧化氢，将其转化为活性氧（ROS），从而触发额外的交联，延长抗CD47抗体（aCD47）的保留时间。水凝胶本身还能有效地将M2型巨噬细胞重极化为M1型，促进肿瘤细胞的吞噬，显著提高了治疗效果，延长了携带4T1肿瘤小鼠的生存期。

图3.生物响应性自增强丝素/丝胶蛋白水凝胶用于免疫治疗药物递送

【STING激动剂】

图4展示了一种自组装肽基纳米管水凝胶在癌症免疫治疗中的应用，该水凝胶通过封装c-di-AMP和喜树碱（CPT）分子，实现了在体内长时间的药物保留和释放，显著延长了T细胞记忆和持续的抗肿瘤免疫反应。这种水凝胶的设计策略优化了不同组分的释放动力学，以最大化治疗效果，为癌症免疫治疗提供了一种有效的局部递送系统。

图4. 自组装肽基纳米管水凝胶用于癌症免疫治疗

【Toll样受体激动剂】

图5展示了工程化的肽和DNA水凝胶用于传递Toll样受体（TLR）激动剂，这些水凝胶通过特定的设计和功能化，能够激活免疫系统并促进肿瘤免疫治疗。例如，一种肽水凝胶通过TLR7/8激动剂的共轭和自组装，实现了肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的重编程，而另一种DNA水凝胶则通过封装CpG ODNs和c-di-GMP，有效地刺激了免疫细胞的活性。这些研究提供了设计具有高负载能力和精确释放特性的水凝胶的新策略，为癌症免疫治疗提供了新的视角。

图5. 用于Toll样受体（TLR）激动剂递送的工程化肽和DNA水凝胶

【免疫调节纳米颗粒】

图6展示了生物响应性纳米颗粒嵌入的生物基水凝胶在癌症免疫治疗中的应用，这些水凝胶通过与纳米颗粒的结合，实现了对免疫治疗药物的局部递送和释放，从而增强了免疫反应并提高了治疗效果。例如，一种基于壳聚糖硫酸盐和纳米级胶束的水凝胶用于局部化疗免疫治疗，而另一种喷雾式水凝胶则利用CaCO₃纳米颗粒和纤维蛋白快速在肿瘤切除部位凝胶化，有效中和肿瘤微环境的酸性并促进免疫细胞的浸润。此外，还有基于藻酸盐的多功能水凝胶，通过Fe₃O₄纳米颗粒和R848的协同效应，显著重编程肿瘤相关巨噬细胞，增强了抗肿瘤性能。这些策略展示了纳米颗粒在生物基水凝胶中的应用潜力，以及它们在增强免疫反应和改善治疗效果方面的重要性。

图6. 生物响应性纳米颗粒嵌入的生物基水凝胶用于癌症免疫治疗

【免疫细胞培养和递送】

图7展示了生物基水凝胶作为细胞支架在免疫细胞治疗中的应用，这些水凝胶能够模拟生物体内环境，促进细胞的粘附、迁移和增殖。例如，一种基于肝素的混合水凝胶通过锚定CCL21成功促进了T细胞的增殖，而基于壳聚糖的水凝胶则通过调整材料浓度和交联剂来优化CD8+ T细胞的增殖和释放能力。此外，还有基于DNA的水凝胶，通过特定的DNA序列设计，能够特异性地捕获T细胞，用于治疗黑色素瘤。这些研究展示了生物基水凝胶在细胞培养和递送系统中的多功能性，以及它们在模拟生理环境和促进特定细胞文化功能方面的潜力。

图7. 生物基水凝胶支架为免疫细胞培养和输送提供多样化平台

图8展示了一种基于DNA的水凝胶网络，它能够捕获肿瘤浸润性T淋巴细胞（TILs），并在肿瘤组织中提供一个生物相容性微环境，从而促进T细胞的增殖。这种策略利用了DNA技术来锚定和释放PD-1阻断的T细胞，展示了在癌症免疫治疗中应用DNA技术的新途径，特别是在局部捕获、释放和激活免疫细胞方面。

图8. 用于局部免疫治疗的T淋巴细胞捕获DNA基水凝胶网络

【细胞过继疗法】

图9展示了工程化生物基水凝胶在增强CAR-T细胞治疗实体瘤中的潜力，通过与细胞因子的共递送，这些水凝胶能够在体内创建一个局部炎症微环境，促进CAR-T细胞的激活、增殖和持久性。例如，一种基于壳聚糖的水凝胶通过封装表达B7H3 CAR的T细胞和IL-15，以及通过RGD附着到PEG-PLA纳米颗粒上，显著提高了T细胞的信号强度和治疗效果。另一种策略是将CSPG CAR表达的CAR-T细胞与IL-15封装在光交联的透明质酸水凝胶中，这种整合了CAR-T和免疫检查点抑制剂（ICIs）的方法，通过遗传工程实现，显著提高了治疗效果。这些研究强调了生物基水凝胶在增强CAR-T细胞治疗中的重要作用，尤其是在减少系统性毒性和提高治疗效果方面。

图9. 工程化生物基水凝胶赋予CAR-T细胞局部扩散的能力

图10展示了一种名为“MASTER”的生物指导植入式支架，它简化了传统的CAR-T细胞治疗过程，通过在水凝胶框架内进行慢病毒介导的病毒转导，实现了在不到一天的时间内生成足够数量的CAR-T细胞用于治疗。这种支架在冻干后提供了一个基质，用于病毒转导，并在皮下植入后促进了功能性CAR-T细胞的释放，同时结合了激活T细胞的aCD3和aCD28，以及支持CAR-T细胞存活的IL-2，从而最大化了CAR-T细胞支架的功能潜力。在淋巴瘤异种移植模型中，使用MASTER平台生成的CAR-T细胞有效地在原位富集并进入全身循环，控制了远处肿瘤的生长。

图10. 用于快速体内制造和释放CAR-T细胞的生物指导植入式支架

【蛋白质抗原基础疫苗】

图11展示了生物基水凝胶在个性化肿瘤疫苗中的应用，这些疫苗通过封装肿瘤裂解物（TCLs）和肿瘤特异性新抗原，实现了预防和治疗肿瘤复发和转移。例如，一种基于丝素蛋白（SF）的水凝胶在超声触发下能够诱导凝胶化，实现预防性和治疗性效果，而另一种基于氧化藻酸盐的水凝胶则通过封装肿瘤细胞膜和免疫佐剂，促进了肿瘤抗原的释放和T细胞的激活，增强了免疫反应。这些策略展示了生物基水凝胶在疫苗开发中的潜力，特别是在提供个性化抗原谱和简化疫苗制备流程方面。

图11. 个性化生物基水凝胶疫苗提供广泛的肿瘤抗原

图12展示了一种基于生物基水凝胶的个性化癌症疫苗，该疫苗通过利用肿瘤裂解物构建，能够在体内持续释放肿瘤抗原，激发长期的抗肿瘤免疫反应。这种疫苗在预防术后肿瘤复发和转移方面显示出显著效果，通过结合超声触发的凝胶化反应和肿瘤特异性新抗原，实现了预防性和治疗性的双重效果。

图12. 生物基水凝胶疫苗介导的术后免疫治疗用于复发和转移性肿瘤

【mRNA疫苗】

图13展示了生物基水凝胶作为mRNA疫苗载体的潜力，通过与mRNA纳米颗粒（LNPs）结合，这些水凝胶能够稳定地储存和递送mRNA疫苗，从而在体内诱导持久的免疫反应。研究中，一种基于透明质酸的动态水凝胶被设计为LNPs的储存库，能够在室温下保护mRNA疫苗长达14天，即使在没有水凝胶保护的情况下，mRNA疫苗在5天后就无法在树突状细胞中诱导抗原表达。这些发现强调了生物基水凝胶在mRNA疫苗的长期储存和递送中的重要作用。

图13. 利用生物基水凝胶作为mRNA疫苗载体

【化疗免疫疗法】

图14展示了生物基水凝胶在化疗免疫疗法中的应用，通过结合化疗药物、免疫佐剂和免疫检查点抑制剂，这些水凝胶能够实现肿瘤局部治疗的同时激活免疫系统。例如，一种钙藻酸盐水凝胶系统结合了多柔比星（DOX）、免疫佐剂R837和免疫检查点抑制剂aPD-1抗体，通过化疗诱导免疫细胞死亡（ICD）和免疫佐剂激活特异性免疫反应，同时免疫检查点阻断进一步增强了这些反应。这种“鸡尾酒”疗法在多个肿瘤模型中有效消除了原发和远处肿瘤，并诱导了类似疫苗的免疫记忆。

图14. 通过生物基水凝胶实现的化疗增强免疫疗法效果

【微波消融】

图15描述了一种利用金属-藻酸盐水凝胶增强微波消融（MWA）治疗肿瘤的方法，该水凝胶封装了131I标记的过氧化物酶（Cat），结合局部递送的CpG ODNs和系统性给药的aCTLA-4抗体，有效缓解了系统性放射治疗的非靶点毒性。这种水凝胶系统在肿瘤中实现了放射性材料的高保留率，并在多种肿瘤模型中实现了100%的肿瘤消除率，同时通过添加CpG ODNs和aCTLA-4，有效地治疗了原发和远处肿瘤，诱导了持久的抗肿瘤免疫反应。

图15. 通过金属-藻酸盐水凝胶增强微波肿瘤消融

【其他治疗方法】

图16展示了一种结合CRISPR/Cas9基因编辑技术和丝胶基水凝胶的方法，用于局部敲除PD-L1基因，以重编程免疫抑制性肿瘤微环境并增强肿瘤免疫治疗。这种方法通过在丝胶基水凝胶中封装工程化的腺病毒载体，实现了对PD-L1基因的精确敲除，显著提高了治疗效果并延长了抗肿瘤免疫反应的持续时间。

图16. 丝胶凝胶驱动的腺病毒载体实现PD-L1的强效基因编辑

【小结】

该研究强调了免疫疗法在癌症治疗中的革命性进展，展示了其在阻止肿瘤转移和复发方面的潜力。尽管如此，免疫疗法在实体瘤治疗中仍面临疗效有限和严重的免疫相关副作用等挑战。生物基水凝胶作为一种多功能材料，在生物医学领域被广泛用于以受控方式封装和释放小分子药物、生物大分子和细胞。免疫调节水凝胶通过封装多种组分和局部给药，展现出增强免疫激活和减轻系统毒性的独特能力。特别是基于生物聚合物的水凝胶，因其生物相容性、环境友好性和生产便利性而受到显著关注。本文深入探讨了基于生物的水凝胶在癌症免疫疗法中的近期进展和协同组合方法，突出了其多样化的应用。作者预期本文将指导水凝胶在癌症免疫疗法领域的合理设计，促进临床转化，并最终惠及患者。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202313188