作为一类免疫细胞，巨噬细胞在身体里巡逻，寻找病毒、细菌和癌细胞等潜在威胁，并吞噬和消灭它们。然而，癌性肿瘤有一个令人讨厌的把戏：它们分泌的物质会将到达的巨噬细胞从杀伤肿瘤的状态“切换”到促进肿瘤的状态，在这种状态下，巨噬细胞会抑制身体的免疫反应，推动血管的生长来支持肿瘤，帮助肿瘤转移。试图从体内提取巨噬细胞，迫使它们进入杀伤肿瘤的状态，并重新将它们注入体内来对抗癌症的努力都失败了，这是因为肿瘤无情地将它们切换回促进肿瘤状态。
 
如今，在一项新的研究中，来自哈佛大学怀斯生物启发工程研究所、哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院和麻省理工学院的研究人员针对这个问题给出了一种新的解决方案：为巨噬细胞构建分泌细胞因子的“背包（backpack，即下文中的背包颗粒）”，从而让它们在长达5天的时间内保持在肿瘤杀伤状态，并且发现在侵袭性乳腺癌小鼠模型中，这可以延缓肿瘤生长，减少转移。相关研究结果发表在2020年4月29日的Science Advances期刊上，论文标题为“Cellular backpacks for macrophage immunotherapy”。
 
论文第一作者C. Wyatt Shields博士说，“这项研究说明了巨噬细胞之美---它们是高度适应性的细胞，对环境中的刺激有很强的反应，但当它们接受到告诉它们做一些实际上对身体有害的刺激信号时，这也会成为一个问题，比如帮助癌症生长或转移。我们证实通过这些背包颗粒提供持续的刺激，让巨噬细胞保持在理想的状态下是可行的。我们希望有一天这项技术可以用于治疗各种与免疫功能障碍相关的疾病。”
 
构建更好的背包颗粒
 
巨噬细胞是贪婪的细胞，它们会结合并吞噬任何它们认为是外来的东西。Mitragotri实验室之前的研究已表明圆盘状的小颗粒可以在巨噬细胞上搭上几天的顺风车，而不会引发它们的 “吞噬”反应，这可能为影响巨噬细胞的行为提供了机会。在这项新的研究中，这些研究人员构建出由两层生物相容性聚合物PLGA（poly(lactic-co-glycolic) acid）制成的背包颗粒，中间填充着聚乙烯醇（PVA）和细胞因子干扰素γ（IFNγ）。已知IFNγ能有效刺激巨噬细胞中的促炎性反应，并已被证明能缩小某些肿瘤的大小。为了构建出这种背包颗粒，他们还添加了最后的细胞粘附层，以帮助它们粘附在巨噬细胞上。
 
Shields和他的共同研究者在体外将巨噬细胞与他们的背包颗粒混合，发现约87%的巨噬细胞在它们的表面上粘附着1到4个背包颗粒，这些背包颗粒可在那里至少停留5天而没有被吞噬，并分泌IFNγ至少60小时。随后，他们对这些巨噬细胞进行了各种标志物的测试以表明它们是处于抗肿瘤的促炎性状态（M1）还是处于抗炎性状态（M2）。携带IFNγ背包颗粒的巨噬细胞要比携带空白背包颗粒的巨噬细胞或游离IFNγ存在下的巨噬细胞更强烈地呈现三种M1相关性状，而且它们的M2相关性状呈现没有明显变化。它们增加的M1相关性状呈现也要比对照组中的任何一个组持续更长的时间，这提示着这些IFNγ背包颗粒可以持久地诱导巨噬细胞切换到M1状态。
 
现在是时候进行真正的测试，以便观察这些IFNγ背包颗粒是否能在之前研究失败的地方取得成功：将巨噬细胞引入活体肿瘤后，让它们维持在M1状态。这些研究人员将携带这些背包颗粒的巨噬细胞注射到侵袭性转移性乳腺癌小鼠模型体内的肿瘤中，然后在七天后对它们进行评估。令他们高兴的是，携带IFNγ背包颗粒的巨噬细胞至少在48小时内表达了M1标志物，而且它们的表达水平显著高于注射到小鼠体内的携带空白背包颗粒的巨噬细胞或游离IFNγ存在下的巨噬细胞。他们还发现，与对照组小鼠相比，接受IFNγ背包颗粒疗法治疗的小鼠的转移性结节显著较少，肿瘤也较小，寿命更长。
 
当这些研究人员深入挖掘，找出在注射了IFNγ背包颗粒后肿瘤内发生了什么，他们发现了一个令人惊讶的结果：携带背包颗粒的巨噬细胞不仅保持在M1状态，实际上还帮助肿瘤内的其他巨噬细胞（肿瘤相关巨噬细胞，缩写为TAM）从抗炎性的M2状态恢复到促炎性的M1状态，从而有效地激活了TAM与劫持它们的肿瘤作斗争。此外，这一结果是在IFNγ的剂量比其他研究中使用的最大总剂量低100倍的情况下取得的，而且这些小鼠没有表现出治疗后的毒性迹象。
 
Shields说，“巨噬细胞大约可以占到肿瘤质量的50%。如果我们能够将它们切换到M1状态，并维持这种激活，那么就可以大大缩小肿瘤的体积，并让免疫系统和化疗等治疗方法更好地接触到癌细胞本身。”
 
针对活细胞的控制平台
 
除了对肿瘤产生持续的促炎反应外，这些研究人员开发出的背包颗粒方法还可以用来做相反的事情：在患上与过度炎症相关的疾病（比如类风湿性关节炎、克罗恩病和狼疮）的患者中，将巨噬细胞切换到抗炎状态。Mitragotri实验室正在继续探索这项技术的不同应用，包括将不同的药物试剂装入背包颗粒中，并测试它们结合和控制其他类型细胞的能力。
 
Mitragotri说，“改善药物递送是目前生物医学研究的热门话题，而细胞是最好的载体之一，这是因为它们可以穿过人体的防御屏障，并能高精度地达到它们的靶标。将一个活的实体（比如活细胞）引入体内进行治疗所面临的最大挑战是弄清楚如何在注射后控制它，让它做你想让它做的事情。这项研究是对一种新的体内控制细胞的方法进行了非常强有力的概念验证，我们认为它可能为治疗众多不同疾病提供一个多功能的平台。”
 
参考资料：
 
1.C. Wyatt Shields IV et al. Cellular backpacks for macrophage immunotherapy. Science Advances, 2020, doi:10.1126/sciadv.aaz6579.
 
2.'Backpacks' boost immune cells' ability to kill cancer
https://medicalxpress.com/news/2020-04-backpacks-boost-immune-cells-ability.html