《Immunologic Research》：Innovative biomaterial solutions for enhancing the efficacy of tumor immunotherapy
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这篇综述深入探讨了如何利用创新的生物材料（如脂质体、纳米颗粒、胶束和水凝胶）来提升肿瘤免疫治疗的疗效。文章系统梳理了细胞因子、抗体、过继细胞疗法、肿瘤疫苗、溶瘤病毒等主流免疫疗法及其面临的挑战（如靶向性差、免疫激活不足、副作用），并重点阐述了各类工程化生物材料如何通过改善药代动力学、实现控释、促进免疫细胞互作、降低脱靶毒性来协同克服这些瓶颈。文末展望了这一交叉领域的前沿方向，为开发下一代精准、高效的个性化癌症免疫疗法提供了重要见解。
癌症依然是全球健康的主要威胁，人口增长和老龄化加剧了其负担。免疫疗法通过调动人体自身的免疫系统来识别和清除肿瘤细胞，已成为一种极具前景的治疗策略。然而，其临床应用仍面临诸多挑战，包括免疫激活不充分、靶向性差、治疗递送效率低以及脱靶毒性等副作用。
为了突破这些瓶颈，研究人员正将目光投向创新的生物材料。脂质体、纳米颗粒、胶束、水凝胶等工程化材料，为增强免疫治疗剂的递送和疗效提供了新颖的解决方案。这些材料能够改善药物的药代动力学行为，实现可控释放，促进免疫细胞间的相互作用，并显著降低对正常组织的毒性。本综述旨在探讨生物材料与肿瘤免疫疗法之间的协同作用，综述当前技术、作用机制以及未来个性化癌症治疗的发展方向。
引言
成人人口规模的增长和老龄化导致了癌症病例及相关死亡的增加，使得肿瘤成为全球关注的重大健康问题。目前，肿瘤治疗手段包括手术、放疗、免疫疗法、化疗和靶向治疗等。其中，免疫疗法作为一种现代治疗方法，与传统手术和化疗等方案有显著区别。它具备损伤健康器官小、副作用相对温和、耐药可能性低、能更好靶向残余肿瘤细胞、治疗效果持久以及复发率降低等多重优势。
尽管如此，免疫疗法仍存在精准度有限、部分患者免疫激活弱、治疗递送效率低以及意外不良反应等挑战。生物材料的研究为改善递送系统、优化整体治疗效果提供了新途径。生物材料可以延长循环时间、优化药代动力学、实现靶向递送、改善细胞摄取和抗原呈递，并比传统免疫治疗剂更有效地调控释放曲线。本综述将探讨肿瘤免疫疗法的各种形式及其潜在机制，并特别聚焦于生物材料如何推动该领域发展，详细介绍这些材料的制备加工技术、作用模式、最新进展以及应用过程中仍需解决的挑战。
肿瘤免疫疗法的类型
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细胞因子
细胞因子是体内重要的通讯分子，促进免疫细胞与多种细胞类型间的相互作用。这些由免疫细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞等产生的小蛋白，在调节细胞增殖、炎症和组织再生等关键过程中扮演核心角色。在癌症治疗中，细胞因子通过直接抑制癌细胞生长或增强免疫细胞攻击恶性肿瘤的能力发挥作用。
白细胞介素-2（IL-2）和干扰素-α（IFN-α）是早期用于刺激免疫系统对抗癌症的代表性细胞因子，并获得FDA批准用于多种癌症治疗。然而，IL-2大剂量单药治疗常导致严重副作用且获益有限；IFN-α则因毒性和疗效有限，其应用已逐渐被更安全有效的免疫检查点抑制剂等靶向疗法所取代。近年来，除IL-2和IFN-α外，IL-15、IL-10、IL-12、IL-8、TNF-α和TGF-β等更多细胞因子也在临床试验中进行探索。
蛋白质工程和合成免疫学的进步使得定制化细胞因子的创建成为可能，这些细胞因子展现出延长的活性和对靶细胞更高的特异性，尤其是在通过创新的基因方法递送时。聚乙二醇化（Pegylation）策略可以增强细胞因子在体内的稳定性，而将其与抗体偶联则能提高靶向效力。此外，包括合成多聚体形式以及将这些药物与受体组件融合在内的高级工艺也正在开发中，以改善其活性并增强治疗效果。
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抗体
肿瘤细胞表面抗原具有逃避免疫监视的能力，从而促进肿瘤生长。其中一些抗原是启动和推进肿瘤的关键，已成为抗体类药物有前景的治疗靶点。由B细胞产生的单克隆抗体可特异性结合这些抗原，阻断其与其他配体的相互作用。基于抗体的治疗在癌症治疗中扮演多重关键角色：它们可将T细胞导向肿瘤部位，直接攻击癌细胞，并改变免疫反应以抑制或消除肿瘤生长。
单克隆抗体已发展成为治疗B细胞淋巴母细胞肿瘤、霍奇金淋巴瘤、结直肠癌和乳腺癌、胃食管癌以及慢性淋巴细胞白血病等多种癌症的重要组成部分。截至2021年，已有超过100种抗体类药物获得FDA批准。这类免疫疗法还包括靶向免疫抑制细胞（如髓源性抑制细胞MDSCs和调节性T细胞Tregs）以及旨在增强机体天然抗癌防御能力的免疫检查点抑制剂的治疗。
单克隆抗体通过结合肿瘤相关抗原或生长因子受体，阻断致癌信号并促进受体内化，从而抑制增殖和存活。通过其Fc结构域，被抗体包被的肿瘤细胞被表达Fcγ受体的免疫细胞识别，引发自然杀伤细胞和巨噬细胞的抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用和吞噬作用，以及补体介导的裂解，从而实现高效的肿瘤清除和增强的抗原释放。此外，检查点抑制剂抗体会破坏PD-1/PD-L1和CTLA-4等抑制性通路，恢复被肿瘤抑制的T细胞活化、细胞因子产生和细胞毒功能。单克隆抗体还能耗竭或功能性地抑制包括调节性T细胞和肿瘤相关巨噬细胞在内的免疫抑制细胞群，从而将免疫平衡转向效应主导。这些机制共同作用，通过整合直接肿瘤靶向与放大先天性和适应性抗肿瘤免疫，实现持续的免疫监视和持久的治疗反应。
治疗性单克隆抗体由两个主要功能域组成。Fab片段经过精心设计以结合癌细胞上的抗原；Fc区则调控与免疫细胞受体的相互作用，从而介导治疗效应。这些抗体常通过抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用和补体系统激活等机制发挥作用。利妥昔单抗、奥法木单抗和阿仑单抗等药物因其有效途径已获FDA批准。
双特异性抗体（bsAbs）是近年来临床和研究的重点。它们被精心设计以同时靶向两种不同的抗原，这可能是两个独立靶点，也可能是单个抗原的多个组分。这种双重靶向能力对于规避肿瘤耐药机制尤为有利。与传统单克隆抗体相比，双特异性抗体可降低对高剂量的需求，提高稳定性和靶向精度，同时最大程度减少不良反应。
针对免疫抑制性MDSCs和Tregs的单克隆抗体是另一策略。当这些免疫抑制细胞在肿瘤微环境中积聚时，会使免疫系统更难识别和攻击癌细胞，导致免疫逃逸并降低标准治疗的效果。靶向和清除这些免疫抑制细胞是恢复机体抗肿瘤反应的有前景的策略。例如，临床前研究中使用源自竞争性噬菌体展示平台的疗法制剂成功降低了血液、脾脏和肿瘤组织中的MDSC水平，从而减缓了肿瘤生长。
免疫检查点抑制剂（ICIs）通过靶向免疫系统固有的“刹车”分子，彻底改变了癌症治疗。这些通常存在于免疫细胞上的分子，能使机体维持健康的平衡，防止不良的免疫反应。然而，癌细胞可利用这些检查点逃避免疫清除。ICIs阻断这些抑制性相互作用，从而恢复T细胞受体信号传导，增强细胞因子产生，并重振针对肿瘤细胞的细胞毒活性。2011年，FDA批准了靶向CTLA-4的抗体伊匹木单抗，用于增强转移性黑色素瘤患者的细胞毒性T细胞疗效。2014年，首个PD-1抑制剂帕博利珠单抗成功用于治疗肺癌和黑色素瘤。2016年，阿特珠单抗作为首个PD-L1抑制剂获FDA批准，为膀胱癌患者提供了新的治疗选择。近期研究表明，信迪利单抗（PD-1抑制剂）联合安罗替尼（多靶点酪氨酸激酶抑制剂）在治疗多种晚期癌症（包括子宫内膜癌、宫颈癌、肝癌和非小细胞肺癌）方面显示出前景，且副作用可控。一种新型双功能融合蛋白SHR-1701，整合了PD-L1抗体与TGF-β受体，在初步研究中显示出鼓舞人心的结果，尤其是在胃癌患者中。
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过继细胞疗法
过继细胞疗法（ACT）是一种利用患者自身免疫细胞的个性化癌症治疗方法。其过程包括：从患者体内获取免疫细胞，在实验室中激活或修饰它们，然后回输到体内，以更有效地帮助对抗癌症。这种方法不仅增加了免疫细胞的数量，还增强了它们识别和摧毁癌细胞的能力。
ACT主要有两大策略。第一种涉及对免疫细胞进行基因工程改造，例如CAR-T和TCR-T疗法。在这些治疗中，T细胞被改造以表达能够识别肿瘤的特异性受体。类似的技术也应用于CAR-NK疗法，其重点是修饰自然杀伤细胞。第二种策略则较少涉及遗传学，更多的是利用机体自身的免疫资源。在这种情况下，免疫细胞从患者的血液或肿瘤组织中收集，在实验室中扩增和激活，然后回输体内。这包括肿瘤浸润淋巴细胞疗法和细胞因子诱导的杀伤细胞疗法。
近年来，研究人员在一种称为新抗原反应性T细胞的新型免疫细胞方面取得了进展。由于新抗原源自肿瘤特异性突变，在正常组织中不存在，因此这种方法最大限度地减少了脱靶毒性，同时能够产生强大的细胞毒反应。因此，NRTs旨在增强肿瘤选择性，克服免疫耐受，并提供持久的抗肿瘤免疫力，特别是在与免疫检查点阻断或细胞因子支持联合使用时。这些细胞被设计为以极高的精度识别特定的肿瘤标志物，从而在保护健康组织免受伤害的同时，产生更强的抗癌效果。
然而，治疗实体瘤可能相当具有挑战性，因为实体瘤性质多样，且肿瘤环境中存在免疫抑制信号。另一个障碍是，回输的免疫细胞在输注后通常难以存活和增殖，这可能限制治疗的长期益处。为了使ACT更有效，一些患者可能在治疗前接受化疗或放疗。这种预调节有助于抑制可能干扰治疗的免疫细胞，但也可能带来口腔和肠道炎症、恶心、呕吐和脱发等副作用。
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嵌合抗原受体T细胞疗法
嵌合抗原受体T细胞疗法使来源于患者的T淋巴细胞能够被基因工程改造，以不依赖于主要组织相容性复合体（MHC）的方式识别肿瘤相关抗原。通过结合单克隆抗体的抗原结合特异性与T细胞的细胞毒机制和增殖能力，CAR-T疗法规避了肿瘤免疫逃逸的多种机制，包括抗原加工缺陷和MHC分子下调。迄今为止的临床前和临床研究已观察到其在血液系统恶性肿瘤，特别是B细胞白血病和淋巴瘤中显著的临床疗效。
一个典型的CAR结构通常包含四个核心部分：来源于抗体、赋予抗原特异性的胞外单链可变片段；提供结构灵活性和最佳抗原结合的铰链或间隔区；跨膜结构域；以及一个或多个调控T细胞活化和持久性的胞内信号域。最近几代的CAR-T细胞可分泌免疫调节细胞因子或表达额外的配体，积极重塑肿瘤微环境以支持持续的抗肿瘤活性。
虽然效力强大，但CAR-T疗法也与潜在的严重毒性相关，最显著的是细胞因子释放综合征和免疫效应细胞相关神经毒性综合征，这些由全身性免疫激活和炎性细胞因子级联反应引起。
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肿瘤疫苗
肿瘤疫苗，包括树突状细胞疫苗、基因疫苗、多肽疫苗和全肿瘤疫苗，旨在帮助免疫系统识别和攻击癌细胞。DC疫苗通过捕获肿瘤抗原并将其呈递给淋巴细胞（免疫防御的关键参与者）来发挥作用。2010年，FDA批准Provenge作为首个专门用于治疗前列腺癌的DC疫苗，是该领域的一个重要里程碑。
基因疫苗采用不同的方法。它们利用基因工程将外源抗原基因导入细胞，通常使用病毒载体或质粒。这个过程使细胞能够产生可引发持久免疫反应的外源蛋白，这对于对抗癌症至关重要。目前，所有针对肿瘤的基因疫苗都仍在临床试验中。
许多临床试验探索了肿瘤疫苗疗法，特别是针对黑色素瘤、乳腺癌和肺癌等侵袭性癌症。2017年，个性化疫苗引起了广泛关注。这些创新的定制肽疫苗是根据个体患者的人类白细胞抗原-A类型及其现有的免疫记忆来选择的。目标是创造更快、更有效的免疫反应，从而实现更好的个性化癌症治疗。
然而，尽管个性化癌症疫苗潜力巨大，但仍存在一些障碍需要克服。例如，mRNA的大分子量和负电荷使其难以穿过带负电荷的细胞膜脂质双层。此外，mRNA很容易因免疫反应或酶活性而降解，这为开发这些疫苗的可靠递送系统带来了挑战。在这种方法中，编码肿瘤相关抗原或患者特异性新抗原的合成信使RNA被递送到宿主细胞——最常见的是抗原呈递细胞，如树突状细胞——并在其中被翻译成免疫原性蛋白。这些抗原随后通过MHC I类和II类途径被加工和呈递，从而激活细胞毒性CD8+T细胞和辅助性CD4+T细胞。mRNA稳定化、序列优化和递送系统（特别是脂质纳米颗粒）方面的技术进步，通过保护mRNA免于降解并促进有效的细胞摄取，显著提高了疫苗效力。除抗原表达外，mRNA疫苗通过与模式识别受体结合而具有内在的免疫刺激特性，可进一步增强树突状细胞成熟和细胞因子产生。在癌症领域，mRNA疫苗既被探索为靶向共享肿瘤抗原的现成制剂，也被探索为编码通过基因组测序鉴定的肿瘤特异性新抗原的个性化疫苗。临床研究表明，mRNA癌症疫苗可以引发强烈的T细胞反应，并且在与免疫检查点抑制剂联合使用时显示出协同活性，凸显了其克服免疫耐受和耐药的潜力。
将新抗原疫苗与其他治疗方法结合是一种新兴的有前景的策略。研究表明，在局部射频消融后给予新抗原疫苗接种，可以导致癌症患者更好的临床结果和更强的免疫反应。动物研究表明，当这些方法与免疫检查点抑制剂联合使用时，其益处可能会进一步放大，这为未来更有效的癌症疗法带来了希望。
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溶瘤病毒免疫疗法
溶瘤病毒疗法是一种利用经过特殊修饰或筛选的病毒来靶向和破坏癌细胞，同时不伤害健康组织的新型癌症治疗方法。与病毒仅作为递送载体的基因治疗不同，溶瘤病毒主动对抗癌症。目前临床试验中测试的许多溶瘤病毒是经过工程改造的知名病毒版本，如腺病毒、痘病毒、单纯疱疹病毒和细小病毒。这些病毒不仅能直接杀死肿瘤细胞，还能刺激免疫系统对癌症作出反应，甚至可以辅助实时肿瘤成像。
一个有趣的例子是OH2，一种经过基因改造的2型单纯疱疹病毒。该病毒在单独使用以及与免疫检查点抑制剂联合治疗晚期实体瘤时显示出前景。OH2的有趣之处在于它携带一个发出荧光的报告基因，使研究人员能够在治疗期间观察病毒的效力以及它是否成功靶向肿瘤。这种双重能力不仅减少了注射部位的肿瘤，还通过暴露特定的肿瘤相关蛋白，激活了针对身体其他部位肿瘤的免疫反应。另一项研究涉及一种改良的痘苗病毒。该病毒可主动破坏肿瘤，并促进更广泛的免疫反应。在针对铂类耐药或难治性卵巢癌患者的临床研究中，该疗法被直接输注到腹腔，并被证明是安全的，显示出有效性迹象并激活了免疫系统。近期的突破还表明，将肽类佐剂与溶瘤病毒结合可能会增强治疗的免疫反应。这种方法可能带来针对每位患者肿瘤量身定制的、更加个性化的免疫疗法。
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联合疗法
肿瘤微环境复杂，癌细胞通常善于躲避免疫系统，这使得单一免疫疗法难以有效发挥作用。因此，研究人员越来越多地关注联合治疗以改善患者预后。例如，研究表明，在靶向CTLA-4通路的同时阻断PD-1受体，可以比单独使用这些疗法更有效地增强免疫反应。这一策略在转移性黑色素瘤的治疗方面取得了重大进展。
另一项有趣的研究探索了呈递肿瘤特异性新抗原的树突状细胞疫苗与PD-1抑制剂的联合应用。该研究在晚期非鳞状非小细胞肺癌患者中显示出关于安全性、实用性和临床获益的前景。联合免疫疗法的目标是激活免疫细胞，同时减少肿瘤产生的抑制性环境。虽然手术、放疗、化疗和标准免疫疗法等传统治疗方法已取得一定成功，但各自都有其缺点。为了克服这些障碍，研究正转向将免疫疗法与其他治疗方案结合，包括化疗、靶向疗法和抗血管生成剂。其中一些组合已获得FDA批准用于特定癌症，更多组合目前正在临床试验中进行研究。这些努力的重点是通过解决各种免疫功能障碍和靶向促进癌症生长的生物过程来改善患者预后。
肿瘤微环境在通过创造一个高度抑制和代谢不利的微环境来促进肿瘤免疫逃逸方面起着关键作用。除了恶性细胞，肿瘤微环境还包括基质成分、异常血管系统、细胞外基质成分和多种免疫细胞群，它们共同调节免疫细胞功能。免疫抑制细胞，如调节性T细胞、髓源性抑制细胞和M2样肿瘤相关巨噬细胞，在肿瘤微环境中被优先募集和扩增，它们在那里分泌抑制性细胞因子，抑制抗原呈递，并直接抑制细胞毒性T淋巴细胞和自然杀伤细胞的活性。同时，肿瘤细胞和髓系细胞上调免疫检查点配体，与T细胞上的抑制性受体结合，并驱动以增殖减少、细胞因子分泌和细胞毒功能下降为特征的功能耗竭。此外，肿瘤微环境内的代谢重编程进一步强化了免疫抑制。快速的肿瘤细胞糖酵解消耗葡萄糖和氧气，同时产生过量的乳酸，导致局部酸中毒，从而损害效应T细胞和自然杀伤细胞的代谢和信号传导。关键氨基酸的消耗限制了T细胞的扩增并促进耐受，而免疫抑制群体则在代谢上适应以在这些营养匮乏的条件下生存和发挥作用。肿瘤微环境的结构特征，包括致密的细胞外基质沉积和异常的肿瘤血管系统，构成了限制免疫细胞浸润和减少治疗渗透的物理屏障，导致免疫排斥或免疫荒漠的肿瘤表型。此外，功能失调的树突状细胞和肿瘤细胞上MHC I类分子的下调损害了抗原呈递，进一步削弱了有效的T细胞启动和再刺激。
另一方面，肿瘤对免疫疗法的耐药性源于肿瘤内在改变和肿瘤微环境适应性变化之间的多因素相互作用，这些变化共同削弱了免疫效应器的功能。原发性和获得性耐药的机制包括肿瘤抗原表达的缺失或下调、抗原加工和呈递机制的缺陷，以及促进免疫排斥的致癌信号通路激活。与此同时，持续的免疫压力诱导了适应性耐药，其特征是抑制性免疫检查点的上调、调节性T细胞和髓源性抑制细胞的扩增，以及免疫抑制性细胞因子和代谢网络的加强。肿瘤代谢重编程通过消耗必需营养素和产生毒性代谢物进一步限制了免疫细胞的适应性，而基质重塑和异常血管系统则限制了免疫浸润和药物递送。
用于癌症免疫治疗的创新生物材料
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脂质生物材料
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脂质体
树突状细胞是免疫系统中最强大的抗原呈递细胞之一。它们在连接机体初始免疫反应和特化的适应性反应方面至关重要。为了使细胞毒性CD8+T细胞有效靶向肿瘤细胞，抗原呈递细胞必须捕获并展示肿瘤抗原。DCs在这一角色中尤为关键。然而，使用活DC制备疫苗涉及复杂的程序和昂贵的成本。因此，脂质纳米材料，如脂质体，正在成为可行的替代品。这些系统可以将抗原和免疫激活分子直接递送到体内的树突状细胞，从而简化疫苗开发并提高效率。
脂质体是由磷脂层组成的微小囊泡，是最著名的脂质纳米材料类型之一。它们因其易于修饰的特性而吸引了研究人员的注意，使其成为通过免疫疗法对抗疾病的有前景的工具。多年来，这些微小的囊泡已被纳入流感、甲型肝炎以及最近的疟疾等疾病的疫苗中。在癌症研究中，脂质体被创造性地用于将特定抗原和免
