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为解决癌症治疗难题，研究人员开展工程化 MSCs 用于肿瘤靶向治疗的研究。结果显示，工程化 MSCs 可递送多种治疗剂，但也面临挑战。该研究为肿瘤治疗提供新思路，值得科研人员一读，助力探索更有效的癌症疗法。
摘要
间充质干细胞（MSCs）因其具有向肿瘤部位归巢的能力，在癌症治疗领域备受关注。科研人员开发出经过工程改造的 MSCs，用于将治疗性蛋白质、微小核糖核酸（microRNAs）、前药、化疗药物以及溶瘤病毒直接输送至肿瘤微环境，旨在提高治疗效果的同时，降低脱靶效应。尽管在临床前研究和临床试验中已取得了令人期待的成果，但仍存在诸如递送效率不稳定、安全性等方面的问题。目前，相关研究聚焦于优化基于 MSCs 的癌症根除疗法和免疫疗法，提升其在癌症治疗中的特异性和疗效。本文将重点阐述工程化 MSCs 在肿瘤靶向治疗方面的研究进展。
事实
- MSCs 具备肿瘤归巢能力，且免疫原性较低。
- MSCs 可经工程改造，将治疗性物质，如蛋白质、microRNAs、药物等，直接输送至肿瘤微环境。
- 在工程化改造 MSCs 以增强其癌症治疗效果方面，已取得了显著进展。
开放性问题
- 如何进一步优化 MSCs 的靶向效率和治疗性物质的递送效果？
- 在临床环境中，工程化 MSCs 的长期安全性和疗效特征如何？
- 基于 MSCs 的疗法与其他新兴治疗方法（如免疫检查点抑制剂和嵌合抗原受体 T 细胞疗法（CAR - T 细胞疗法））相比，在成本效益、患者预后和长期获益等方面表现如何？
引言
1967 年，MSCs 首次在骨髓基质中被发现，并被鉴定为 “成纤维细胞集落形成单位”[1]。随后研究发现，MSCs 几乎分布于所有组织类型 [2]，包括但不限于脐带（UC）[3]、脂肪组织（AD）[4,5] 和牙髓（DP）[6]。作为人体内分布广泛的细胞类型之一，MSCs 具有分化为多种间充质细胞系的能力，如脂肪细胞、骨细胞和软骨细胞 [7,8]。MSCs 因其免疫赦免特性，尤其是低免疫原性（表面缺乏主要组织相容性复合体 I 类分子（MHC - I）的表达，MHC - II 的表达也几乎可以忽略不计）[9]，受到了广泛关注。
MSCs 治疗的质量控制标准化或许能加速其临床应用的发展。自 2006 年起，国际细胞与基因治疗学会和 MSCs 科学委员会致力于推动 MSCs 疗法在临床前研究和人体转化研究中的标准化进程 [10 - 12]。质量控制明确规定了 MSCs 的鉴定、纯度、效力、增殖能力、基因组稳定性以及微生物检测标准。截至 2023 年底，已有超过 1000 项基于 MSCs 的临床试验在 clinicaltrials.gov 上注册，旨在验证 MSCs 疗法对多种疾病的可行性和有效性。MSCs 已成功应用于治疗炎症性疾病和器官损伤，如移植物抗宿主病和系统性红斑狼疮 [13,14]，这得益于其能够迁移至组织损伤部位并参与修复过程 [15]。并且，在多项治疗相关的临床试验中，并未有明显供体排斥的明确记录 [16]。肿瘤与慢性炎症具有相似特征，可被视为 “永不愈合的伤口”[17]。MSCs 会持续被招募至肿瘤部位，成为肿瘤微环境的重要组成部分 [18,19]。
生物工程方法作为增强 MSCs 疗效的有效手段，能够拓展 MSCs 治疗的应用范围，尤其是在抗癌治疗领域。科研人员对 MSCs 进行了改造，使其能够递送干扰素、白细胞介素、抗血管生成剂、促凋亡蛋白、前药或溶瘤病毒，以直接诱导肿瘤细胞凋亡或激活免疫细胞对抗肿瘤 [20 - 22]。在此，科研人员总结了天然 MSCs 参与肿瘤进展的机制，以及工程化 MSCs 在肿瘤治疗中的应用和面临的挑战。
MSCs 作为特洛伊木马
肿瘤微环境形成了一个免疫抑制性微生态位，其特征为免疫抑制性免疫细胞占比过高、组织持续重塑，且存在多种细胞因子、趋化因子和生长因子 [23]。肿瘤微环境中的抗炎免疫状态会阻碍愈合过程 [24]。所有实体肿瘤的一个显著特征是代谢活动增强，同时伴随着氧气供应不足 [25]。在肿瘤进展过程中，MSCs 会响应肿瘤生长产生的信号，被动员并招募至肿瘤部位，成为肿瘤相关 MSCs，进而调控局部免疫微环境。
1955 年，Thomlinson 和 Gray 在研究人类上皮肿瘤的组织切片后，提出了肿瘤缺氧的概念 [26]。时至今日，这一概念已被科学家多次证实，人们普遍认为缺氧微环境是大多数实体肿瘤的共同特征 [27,28]。缺氧诱导因子（HIFs）作为直接响应缺氧环境的转录因子，参与了促进肿瘤细胞在恶劣缺氧肿瘤微环境中存活的基本细胞过程，如葡萄糖代谢和血管生成。因此，紊乱的血管生成途径和血流变化严重阻碍了药物向肿瘤的有效递送。近期，科学家发现，在 HIF - 1α 的下游靶基因中，C - X - C 基序配体 12（CXCL12）的浓度梯度在招募表达 CXCL12 受体 CXCR4 的 MSCs 进入肿瘤微环境中起着关键作用 [29 - 31]。就缺氧环境对 MSCs 的直接影响而言，例如骨髓被认为是氧气供应有限的组织，骨髓来源的 MSCs（BM - MSCs）能够被招募至氧张力同样较低的肿瘤部位。此外，胰岛素样生长因子 1（IGF1）、碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）、血管内皮生长因子（VEGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）和转化生长因子 - β（TGF - β）等生长因子也能将 MSCs 招募至肿瘤环境 [32 - 34]。其他肿瘤衍生因子，如肿瘤坏死因子 - α（TNF - α）和白细胞介素 - 6（IL - 6），也通过促进内皮细胞黏附和重塑细胞骨架迁移系统，参与了 MSCs 向肿瘤的归巢过程 [35,36]。
MSCs 固有地向肿瘤部位归巢的能力可被用于抗肿瘤治疗，使其适合作为细胞疗法将治疗药物直接递送至肿瘤部位。经过基因改造的 MSCs 可作为癌症治疗的 “特洛伊木马”。通过向肿瘤微环境归巢，它们能够显著增强抗肿瘤免疫反应或对化疗的敏感性，同时减轻高剂量细胞因子或化疗药物全身给药带来的毒性。可以采用多种策略进一步提高基于 MSCs 的抗癌疗法的疗效，并根据不同肿瘤及其微环境的特定需求进行个性化治疗（图 1）。
用于癌症治疗的工程化 MSCs
鉴于 MSCs 的肿瘤趋向性，研究重点集中在通过转染对 MSCs 进行基因改造，以促进特定治疗性物质的过表达 [37,38]。MSCs 易于通过病毒载体进行基因改造。本文将探讨基于病毒转染修饰的 MSCs 工程化研究。这些 “武器” 包括一系列治疗性蛋白质、microRNAs、前药、化疗药物、自杀基因和溶瘤病毒。MSCs 作为高效载体，携带这些 “武器” 并随后将其递送至肿瘤部位。这些有效载荷通过改变肿瘤微环境中的免疫细胞格局或直接作用于肿瘤细胞，在抑制肿瘤生长或直接诱导肿瘤细胞死亡方面发挥着关键作用（图 2）。
治疗性蛋白质的递送
肿瘤微环境的特点是多种免疫细胞大量浸润，包括 T 细胞、B 细胞、自然杀伤（NK）细胞和巨噬细胞。NK 细胞是先天性免疫细胞，能够直接杀伤肿瘤细胞。然而，在肿瘤高度代谢的环境中，过量乳酸的积累和氨基酸（如精氨酸和亮氨酸）的消耗会损害 NK 细胞的功能 [39]。除了代谢限制外，肝细胞癌、乳腺癌和结直肠癌的肿瘤微环境中还含有前列腺素 E2（PGE2）和吲哚胺 2,3 - 双加氧酶（IDO），它们会抑制 DNAX 辅助分子 - 1（DNAM - 1）以及 NK 细胞激活受体 NKp44 和 NKp30 的激活，从而抑制 NK 细胞的抗肿瘤作用 [40]。转移性肿瘤常常通过下调 MHC - I 的表达来逃避 T 细胞介导的杀伤，进而减少抗原呈递，导致免疫治疗失败 [41]。CD8?T 细胞被认为是肿瘤清除的主要介导者，但其常表现出耗竭表型，特征为程序性死亡受体 1（PD - 1）和 T 细胞免疫球蛋白黏蛋白分子 3（TIM - 3）的共表达 [42,43]。除了导致 T 细胞耗竭的内在因素外，肿瘤微环境中的免疫抑制因子，如 IL - 10 和 TGF - β，可诱导效应 T 细胞和记忆 T 细胞转变为耗竭状态 [44,45]。研究人员认为，逆转 CD8?T 细胞的耗竭表型可能会增强肿瘤抑制作用。在治疗性蛋白质中，抑制肿瘤的干扰素和细胞因子在由 MSCs 运输时，能够实现高度精确的靶向递送（表 1）。
干扰素
I 型和 II 型干扰素在生理条件下表达，是免疫和炎症的重要调节因子 [46]。一方面，I 型干扰素在抗病毒免疫反应中发挥着关键作用 [47]。I 型干扰素可促进抗原呈递和 NK 细胞功能，同时抑制促炎途径和细胞因子的产生。它们激活适应性免疫系统，促进高亲和力抗原特异性 T 细胞和 B 细胞反应以及免疫记忆的形成 [48]。越来越多的证据表明，在特定肿瘤部位给予外源性 I 型干扰素具有抗肿瘤功效。Ren 等人首次对 MSCs 进行基因工程改造，使其过表达干扰素 - α（IFNα - MSCs），并观察到其能够通过诱导肿瘤细胞和肿瘤相关内皮细胞凋亡来抑制肿瘤生长 [49]。此外，IFNα - MSCs 刺激肿瘤细胞产生 CXCL10，上调 CD8?T 细胞中颗粒酶 B（GZMB）的表达，并增加浸润性 CD8?T 细胞的数量和细胞毒性活性 [49,50]。同样，IFNβ - MSCs 能够独立于免疫系统直接杀伤肿瘤细胞 [51]。更重要的是，负载 IFNβ 的 MSCs 可以在肿瘤微环境中引发强烈的抗肿瘤免疫反应。IFN - β 在外周血单核细胞中对 TNF - α 和 IL - 12 的表达起调节作用 [52]。此外，IFN - β 可调节巨噬细胞中趋化因子（包括 CXCL10）的表达 [53]。再者，IFNβ - MSCs 能够增强 NK 细胞的活性 [54]。另一项研究表明，这种细胞介导的免疫反应会增加脾脏中成熟树突状细胞（DCs）的数量，减少调节性 T 细胞（Treg 细胞）的数量 [55]。
IFN - γ 属于 II 型干扰素，最初被认为具有抗肿瘤作用；然而，后续研究发现，IFN - γ 会促进程序性死亡配体 1（PD - L1）、PD - L2、IDO1、诱导型一氧化氮合酶（iNOS）、FAS 和 FAS 配体（FASL）等抑制分子的表达，这些分子都会限制抗肿瘤免疫反应 [56]。早期研究中，科研人员发现 IFN - γ 在免疫调节中显著增强了 MSCs 的免疫抑制能力 [57,58]。尽管 IFN - γ 作为促炎巨噬细胞的刺激因子，可能会产生有前景的抗肿瘤效果，但在利用 IFNγ - MSCs 进行肿瘤免疫治疗时仍需谨慎 [38]。此外，IFNs 可以增强包括 MSCs 在内的细胞表面 MHC 分子的表达，进而增加肿瘤特异性抗原的加工和呈递，促进 T 细胞的识别和细胞毒性作用 [59,60]。鉴于 IFNs 是已知的可诱导 MSCs 免疫抑制的经典细胞因子，在癌症治疗中使用过表达 IFNs 的 MSCs 时应谨慎。
白细胞介素
过表达细胞因子的工程化 MSCs 在多种癌症模型中通过多种机制展现出强大的抗肿瘤效果，如重振耗竭的肿瘤浸润淋巴细胞、增强细胞毒性 T 细胞和 NK 细胞的活性、减少肿瘤血管生成，以及诱导肿瘤细胞凋亡和坏死。过表达 IL - 2 的 MSCs（IL2 - MSCs）在小鼠模型中对胶质瘤和黑色素瘤表现出抑制作用，这可能是通过肿瘤微环境中的 CD8?T 细胞介导的 [61,62]。这些 MSCs 经过工程改造，旨在增强其向肿瘤部位的归巢能力，并优化 IL - 2 与其受体之间的相互作用。在这种情况下，IL2 - MSCs 通过扩增 PD1?TIM3?CD8?T 细胞群体，重振了耗竭的肿瘤浸润淋巴细胞（TILs），同时减少了终末耗竭 T 细胞的频率，恢复了它们的细胞毒性功能 [62]。IL - 12 是一种强效的促炎细胞因子，作为一种潜在的癌症免疫治疗药物受到了广泛关注。然而，早期临床试验表明，全身递送 IL - 12 会导致剂量限制性毒性 [63]。因此，局部给予 IL12 - MSCs 在胶质瘤和黑色素瘤治疗中显示出良好的疗效。其作用机制可能包括增强 IFN - γ 的分泌、降低血管密度，以及增加促炎巨噬细胞和 CD8?细胞毒性 T 淋巴细胞（CTLs）的数量 [64,65]。IL - 18 能够刺激 T 细胞和 NK 细胞，促使它们分泌 IFN - γ 和粒细胞 - 巨噬细胞集落刺激因子（GM - CSF）。IL - 18 增强 NK 细胞的细胞溶解活性，促进 T 细胞增殖，激活 CD8?CTLs，并作为未成熟 DCs 的趋化剂。这种招募是引发强烈免疫反应的关键事件 [66]。事实上，过表达 IL - 18 的人脐带间充质干细胞（IL18 - hUCMSCs）在体外实验中有效地抑制了肿瘤细胞的增殖、迁移和侵袭 [67]。同样，将 IL - 21 导入 MSCs（IL21 - MSCs）后，通过增加包括 IFN - γ 和 TNF - α 在内的次级细胞因子的分泌，显著增强了 NK 细胞的细胞毒性活性，导致肿瘤细胞坏死、凋亡和血管出血 [68,69]。此外，经肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体（TRAIL）工程化改造的 MSCs 也表现出抗肿瘤作用 [70,71]。这些方法凸显了细胞因子工程化 MSCs 作为创新且有效的癌症免疫治疗策略的潜力，强调了局部递送细胞因子以减少全身毒性并提高治疗效果的重要性。
miRNA 的递送
MSCs 与肿瘤之间的相互作用可以通过细胞外囊泡（EVs）介导。近年来，一类特殊的 EVs，尤其是外泌体，受到了广泛关注 [72]。值得注意的是，外泌体普遍存在于各种体液中，其特点是继承了亲代细胞的分子和遗传特征 [73]。外泌体能够穿过血脑屏障，几乎可以到达人体的各个部位，这一特性克服了传统细胞疗法的局限性 [74]。微小核糖核酸（miRNAs）是非编码 RNA 分子，在多种生物学过程中发挥着重要作用，主要通过对基因表达的转录后调控来实现 [75]。肿瘤的发生和发展通常与多种 miRNAs 的上调或下调有关。对众多与肿瘤发生相关的 miRNAs 的广泛研究仍是一个活跃的研究领域。MSCs 来源的外泌体分泌组在推进肿瘤治疗方面具有巨大潜力（表 2）。
miR - 101 在多种恶性肿瘤中的表达显著下调。将 miR - 101 导入 MSCs（miR101 - MSCs）后，在骨肉瘤和口腔癌的治疗中显示出增强的疗效 [76,77]。多项研究报道，miR - 125a 可以直接靶向特定的癌基因 [78]。此外，在卵巢癌 [79]、宫颈癌 [80]、乳腺癌 [81]、胃癌 [82] 和髓母细胞瘤 [83] 中，miR - 125a 的表达一直被观察到下调。近期研究表明，用 miR125a - MSCs 分泌的过表达 miR - 125a 的外泌体处理鼻咽癌细胞，在体外和体内模型中均能有效抑制血管生成拟态的形成 [84]。miR - 34 家族受肿瘤抑制基因 p53 的直接调控，被认为是肿瘤抑制的关键组成部分。然而，其启动子区域的甲基化会导致 miR - 34 表达下调，这与卵巢癌和结直肠癌的发病机制有关 [85,86]。在癌症发展过程中，上皮 - 间质转化（EMT）通常与 miR - 374c - 5p 的下调有关 [87]。MSCs 中 miR - 374c - 5p 的过表达通过 LIMK1 - Wnt/β - catenin 轴抑制肝细胞癌中的 EMT，从而抑制肝癌的发生和发展 [88]。转录调节因子 MYB 在卵巢癌中表达升高，可能受到 miR - 424 水平降低的调控。过表达 miR - 424 的 MSCs 分泌的外泌体对卵巢癌的发生和发展产生了显著影响，具有临床应用的潜力 [89]。同样，表达水平升高的 miR - 6553p 的 MSCs 已被证明在食管鳞状细胞癌（ESCC）的治疗中有效 [90]。此外，许多 miRNAs 在肿瘤状态下会发生失调，这突出了 EVs / 外泌体作为天然囊泡实体，有望成为高效且有前景的精准靶向肿瘤治疗药物递送系统的潜力。总体而言，工程化 MSCs 使其过表达特定的 miRNAs 为癌症治疗提供了一种有效的方法，通过 miRNA 介导的对致癌途径和基因表达的调节，在多种癌症的治疗中具有抑制肿瘤进展、促进细胞凋亡，以及防止血管生成拟态和 EMT 的治疗潜力。
药物递送
利用前药递送方法进行癌症治疗始于 20 世纪 80 年代初 [91]。以往的治疗方法是在肿瘤特异性启动子的控制下引入一种无毒的酶基因。在给予无毒的前药后，
