综述：生物材料介导的调节性T细胞免疫调控在癌症中

《Biomaterials Science》：Biomaterial-mediated immunomodulation of regulatory T cells in cancerOpen Access

　　

免疫抑制性癌症的特征在于肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）主动抑制抗肿瘤免疫应答。TME内的调节性T细胞（regulatory T cells, Tregs）因其增强的抑制能力，成为这种破坏的主要参与者。因此，靶向这一群体可能是针对某些患者失败的癌症免疫治疗成功的关键。值得注意的是，Tregs在免疫稳态中发挥关键作用；因此，调节其功能的策略必须优先考虑选择性调节，以降低不必要自身免疫的风险。生物材料是应对这一治疗挑战的多功能平台，因为它们能够实现免疫调节剂的时空递送，并减少不必要的副作用。本综述聚焦于利用可调谐生物材料特性来破坏癌症中Treg介导免疫抑制所依赖的关键代谢、转录和信号通路的新兴生物材料策略。此外，研究人员综述了当前临床前研究中用于评估Treg调节的关键实验方法，并对生物材料介导的癌症Treg调节领域存在的空白进行了评述。

**Introduction**
癌症免疫疗法，如免疫检查点抑制剂和嵌合抗原受体（chimeric antigen receptor, CAR）T细胞疗法，在患者中显示出显著疗效，但肿瘤的异质性和生物学复杂性仍是实现持久应答的主要障碍。肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）——一个由肿瘤细胞、免疫细胞和基质细胞、细胞外基质及相关信号分子构成的互联网络——使肿瘤能够逃避免疫监视并限制持久的抗肿瘤应答。TME内免疫细胞的分布影响癌症对当前免疫疗法的反应，例如“热”肿瘤中免疫细胞浸润但无法有效应答，“免疫排除”肿瘤中免疫细胞聚集在边界，“冷”肿瘤中免疫细胞缺失。以转录因子叉头框蛋白P3（forkhead box protein P3, Foxp3）为标志的调节性T细胞（regulatory T cells, Tregs）是导致某些免疫疗法持久性和有效性有限的元凶。Foxp3⁺ CD4⁺ Tregs通过抑制自身反应性免疫应答来维持免疫稳态，其来源包括胸腺Tregs（在胸腺中分化）和外周Tregs（在耐受性环境中由初始辅助T细胞分化）。在人类中，根据Foxp3、CD45RA和CD25的表达对Tregs进行功能分类，以区分持久抑制性Tregs与暂时抑制性亚群。在乳腺癌、卵巢癌、肺癌和结直肠癌中，Tregs变得高度抑制并在TME内积累，损害抗肿瘤免疫应答。肿瘤浸润Tregs可来源于胸腺或外周群体，其抑制机制包括上调抑制性检查点受体、分泌免疫抑制性细胞因子（如IL-10、TGF-β、IL-35）以及代谢干扰等。破坏瘤内Treg免疫抑制是重新启动抗肿瘤免疫的重要途径，但必须避免系统性Treg耗竭以预防严重自身免疫疾病。直接靶向Tregs的挑战在于缺乏专属表面标志物，许多标志物也表达于常规T细胞。小分子、抗体、肽、基因疗法和药物偶联物已在临床前研究中成功干扰Treg介导的免疫抑制机制，但抗体药物如抗CTLA-4抗体虽已获批，却伴随10–15%的免疫相关不良事件。其他进入临床试验的Treg靶向抗体因严重副作用而失败。生物材料有望通过改善组织靶向性、延长循环时间、保护治疗药物免受降解以及实现免疫调节信号的时空呈现，来解决这些瓶颈。

**Harnessing biomaterials to overcome drug delivery limitations**
生物材料是可被工程化为纳米至微米尺度多种结构的天然或合成材料，用于实现治疗药物递送和调节生物过程。不同生物材料类别（如聚合物、脂质、金属和无机材料）在基础构建块、结构、稳定性和与生物系统相互作用机制上存在差异。自1989年首个基于聚合物的微球制剂获批用于前列腺癌治疗以来，更多制剂因增强药物循环时间和减少脱靶效应而获批。历史上，纳米颗粒生物材料的积累归因于增强渗透与滞留（enhanced permeability and retention, EPR）效应，但该机制仍有争议。新兴策略利用TME条件引导生物材料积累并调节基质和免疫细胞群体。本综述聚焦于直接作用于Tregs的临床前生物材料平台，按材料类别（聚合物、脂质、金属或无机）组织，并总结研究Tregs的关键实验方法。

**Polymer biomaterials are customizable vehicles for Treg-directed cancer immunotherapy**
聚合物广泛应用于药物递送，常见的有聚乳酸（polylactic acid, PLA）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA）、聚氨基酸（poly(amino acid), PAA）和聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG）等。聚合物可被工程化为水凝胶、微粒和纳米颗粒，其理化性质（如尺寸、电荷、疏水性和降解速率）可独立调控，以控制生物相互作用和转运行为。聚合物表面可易于修饰功能基团，例如PEG化可减少非特异性蛋白吸附。聚合物系统相比脂质或金属具有优异的稳定性和储存稳定性。

**Polymer-targeting ligand conjugation facilitates carrier loading and co-inhibition of tumor glucose metabolism and Treg immune checkpoint receptors**
Tregs通过改变乳酸代谢维持免疫抑制功能，葡萄糖转运蛋白抑制剂可增加免疫检查点抑制剂的敏感性。一项2023年的研究开发了聚β-氨基酯-聚乙二醇（poly β-amino ester-polyethylene glycol, PAE-PEG）纳米组装体，偶联靶向PD-L1和CTLA-4的核酸适配体，并装载GLUT1抑制剂BAY-876。在酸性TME中，PAE氨基质子化引发纳米组装体膨胀，释放适配体和药物。BAY-876降低肿瘤葡萄糖摄取，减少乳酸分泌，并下调Foxp3、CD25和CTLA-4表达。体外共培养显示树突状细胞（dendritic cell, DC）、巨噬细胞、CD4⁺和CD8⁺ T细胞扩增，IFN-γ、TNF-α和颗粒酶B分泌增加。体内实验验证了该纳米组装体使Foxp3表达降低约24%，CD8⁺ T细胞增加30%，并促进DC和促炎巨噬细胞浸润。

**Targeting key adenosine metabolism with polymer-mediated siRNA delivery**
Tregs通过腺苷能通路维持免疫稳态，该通路依赖细胞表面酶CD39/CD73将ATP转化为腺苷。2019年，研究开发了负载腺苷受体A2AR siRNA的PEG-壳聚糖-乳酸（PEG-chitosan-lactate, PCL）共聚物纳米颗粒，以克服Treg免疫抑制。PCL纳米颗粒实现siRNA包封，体外脾T细胞摄取约65%，A2AR基因敲低90–95%。沉默A2AR基因使Foxp3⁺ Treg分化减少约40–50%，并重新激活T细胞促炎细胞因子释放。生物分布研究显示显著的肿瘤部位积累，表明该平台可实现空间受限的免疫调节。

**Stimuli-responsive polymeric systems suppress Tregs directly via immune checkpoint blockades and indirectly via ROS-induced tumor cell death**
Tregs通过CTLA-4抑制抗原呈递细胞共刺激激活。2022年，研究构建了工程化半导体聚芴-共-二苯并噻二唑（poly(fluorene-co-dibenzothiadiazole), PFODBT）纳米抗体平台，偶联PEG连接子和聚磺酸二苯胺（poly(sulfonic acid diphenyl aniline), PSDA），并功能化抗CTLA-4抗体。局部超声照射产生ROS，触发PSDA裂解，释放抗CTLA-4抗体。系统给药后，肿瘤中Foxp3⁺ Treg群体减少27%，TGF-β血清水平降低，CD8⁺细胞增殖，颗粒酶B、IL-6、IFN-γ和TNF-α水平升高。另一项研究合成了半导体聚合物免疫调节纳米颗粒（semiconducting polymer immunomodulatory nanoparticles, SPINs），共价偶联IDO抑制剂NLG919和抗PD-L1抗体。超声触发ROS生成，释放抑制剂和抗体。NLG919阻断IDO酶活性，防止IDO驱动的Treg诱导，抗PD-L1抗体抑制肿瘤细胞PD-L1与Treg上PD-1的相互作用。在胰腺癌小鼠模型中，SPIND2治疗（联合NLG919、抗PD-L1和超声）使原发和远处转移肿瘤中Treg群体分别降至2.8%和4.2%，同时增加DC和细胞毒性T细胞群体，IFN-γ和颗粒酶B分泌升高。

**Stimuli-responsive, layered polymeric systems enable dual Treg and tumor modulation through delivery of immunomodulators and phototherapy agents**
酪氨酸激酶抑制剂伊马替尼（imatinib, IMT）通过抑制淋巴细胞特异性蛋白酪氨酸激酶（LCK）诱导Treg凋亡，并可进一步调节STAT3和STAT5通路。2018年，研究开发了抗体偶联的层层自组装杂化纳米颗粒（layer-by-layer hybrid nanoparticles, LBL hNPs），负载IMT，并修饰抗GITR抗体和近红外染料IR-780。PLGA核负载IMT，表面交替涂覆聚-L-组氨酸（poly-l-histidine, PLH）和聚乙二醇-嵌段-聚-L-谷氨酸（PEG-b-PLG），形成pH响应性释放系统。体外培养中，LBL hNPs使CD25⁺ Foxp3⁺ Treg群体降至约12%，STAT3和STAT5磷酸化减少。体内静脉注射后，瘤内Treg群体从23.7%降至7.01%，TGF-β水平降低，DC和细胞毒性T细胞活性增强，IFN-γ和颗粒酶B分泌增加，同时诱导49%肿瘤细胞凋亡。

**Lipid-based nanoparticle formulations offer flexibility for Treg modulatory platforms**
脂质纳米颗粒是FDA批准的最常见纳米药物类别，具有生物相容性、可生物降解性和高载药量。脂质体可封装亲水性和疏水性药物，表面可修饰PEG以延长循环时间。2024年，研究开发了靶向CD25的免疫脂质体（immunoliposomes, ILs），负载P60肽以抑制Foxp3核转位。比较不同PEG长度（PEG2000和PEG750），PEG750脂质体在Treg中摄取量比PEG2000高2倍，比非靶向脂质体高14倍。在MC38结肠癌模型中，IL-P60₇₅₀以低于游离P60 50倍的剂量诱导约40%小鼠完全肿瘤消退，由CD8⁺效应T细胞激活驱动。另一项研究开发了熊果酸（ursolic acid, UA）脂质体，通过主动装载策略提高包封稳定性。UA抑制IL-2受体和STAT5磷酸化，减少Foxp3表达和瘤内Treg浸润，降低IL-10和IL-6表达及MDSC浸润，虽无直接细胞毒性，但通过免疫调节减缓肿瘤生长。

**Inorganic biomaterials play functional roles in the tumor microenvironment**
无机生物材料包括金属基纳米颗粒、碳纳米结构等，具有可调稳定性、结构精确性和多功能性。金属纳米颗粒可调节TME条件（如缺氧、pH、ROS），释放金属离子刺激APC产生促炎细胞因子。Chen等人开发了聚合物包被的氧化铁纳米颗粒（iron oxide nanoparticles, IONPs），通过光热疗法（photothermal therapy, PTT）在肿瘤基质中特异性消除Tregs。IONPs通过EPR效应积累于Treg富集的肿瘤基质，近红外光热转换实现局部热疗，而不损伤周围健康组织。该平台增强CTLA-4检查点阻断的抗肿瘤效果。碳纳米管（carbon nanotubes, CNTs）如PEG修饰的单壁碳纳米管（PEG-SWCNTs），通过非共价吸附PEG-磷脂，可功能化抗GITR抗体，实现瘤内Treg选择性靶向和内在化。无机生物材料需注意在肝脏和脾脏的积累及长期毒性问题，可通过调整尺寸、形态和表面化学改善降解和清除。

**Methods of studying biomaterial success on Treg modulation**
当前研究依赖组合表型、功能和下游免疫读取来评估Treg调节。Tregs可通过自然分离或诱导获得，来源和激活状态影响对生物材料的反应。体内研究主要集中于肿瘤浸润淋巴细胞的表型分析。常见实验读取包括：Foxp3基因和蛋白表达（RT-PCR、流式细胞术）、Treg表面标志物（CD25、CTLA-4、GITR等）、分泌细胞因子（IL-10 ELISA）、转录因子（STATs Western blot）、增殖/存活（CFSE、活/死染色）、代谢（ATP/NADPH、GLUT1表达）以及结合实验（流式细胞术）。下游功能测定包括效应T细胞细胞因子（IFN-γ、颗粒酶B等）和效应T细胞与Treg比例。成像模态如MRI、PET、SPECT和荧光成像可追踪生物材料生物分布和Treg迁移。生物材料可改善这些可视化方法，通过封装和靶向积累提高细胞内标记效率和稳定性。

**Forward-looking for designing biomaterials for Treg modulation**
生物材料聚焦的研究显示了初步临床前成功，但临床转化有限。合理设计需关注配体介导的靶向、刺激响应性释放、可生物降解性和简化配方。理化性质（尺寸、电荷、形态、表面化学）影响肿瘤积累和Treg靶向。生物材料的内在免疫调节特性（如聚β-氨基酯促进DC激活，UA抑制IL-2受体，金属离子触发炎症因子释放）可协同实现抗肿瘤免疫刺激。cGAS-STING通路的激活可促进I型干扰素和DC成熟，但也可能影响Treg分化。对Treg生物学（亚群异质性、表型、代谢状态）的深入理解对于设计选择性免疫调节平台至关重要。利用瘤内Treg与胸腺或外周Treg在空间、分子和代谢上的微小差异，生物材料可优先功能性重编程瘤内Treg，同时最小化对维持全身免疫耐受的Treg的影响。