鐵蛋白核酸遞送系統增強腫瘤免疫治療研究取得新進展

　　鐵蛋白是存在于人體細胞中的儲鐵蛋白，具有獨特的殼-核結構，外殼由24 個亞基自組裝形成蛋白籠，內腔能以水鐵礦形式儲存鐵。2012年，閻錫蘊院士團隊發現人重鏈鐵蛋白（Human heavy chain ferritin，簡稱HFn）識別腫瘤標志分子——轉鐵蛋白受體1（TfR1/CD71）。隨后，又發現鐵蛋白籠上存在溫度可控的小分子藥物通道。這些重要發現賦予鐵蛋白作為腫瘤靶向藥物載體的優良性能，包括對小分子藥物的高效裝載能力和針對腫瘤相關疾病的靶向治療能力。

　　然而，基于鐵蛋白作為核酸載體的開發卻囿于其蛋白結構的天然負電性，這使得同樣帶負電的核酸藥物難以裝載其中。為此，該研究基于對鐵蛋白結構的分析，選擇性對鐵蛋白內表面負電氨基酸進行正電突變，構建了內腔正電的載核酸鐵蛋白載體。該新型鐵蛋白載體實現了對Toll樣受體核酸配體的有效裝載，并且有效增強了抗腫瘤免疫治療。相關研究成果于2022年07月26日在線發表于《Nano Today》期刊。

　　近年來，核酸藥物憑借著治療靶點明確、持久高效等特點，在腫瘤治療中凸顯出傳統藥物不可取代的優越性。免疫治療是繼手術、放療、化療等傳統方法后快速發展的新一代腫瘤療法。其中，Toll樣受體（TLR）是腫瘤免疫激活的有效靶點之一。然而，由于核酸結構特性，胞內TLR的激活配體卻面臨著體內遞送問題，如結構不穩定易被核酸酶降解、親水性和負電性使其難以透過細胞膜被細胞攝取、外源性核酸分子的免疫原性引發機體免疫識別清除等，這極大限制其轉化和應用。目前，研究人員已開發出多種核酸載體，但這些載體材料潛在的安全性問題卻也令人擔憂。例如，陽離子脂質體/聚合物表面的高陽離子容易導致細胞膜破裂引起機體細胞損傷、病毒載體中病毒蛋白的致癌性和生物毒性風險、合成材料的免疫原性及體內代謝問題。因此，具有高生物相容性的鐵蛋白是極具潛力的核酸藥物載體材料。

　　為了解決天然鐵蛋白負電性對核酸裝載的限制，相關研究嘗試對鐵蛋白進行正電修飾以提高其核酸親和力。但是，鐵蛋白外表面改造存在引發免疫原性的風險，而內表面融合正電肽存在占據內腔空間進而降低核酸裝載量的問題。鑒于此，研究團隊基于鐵蛋白結構分析，通過基因工程設計，以點突變的方式針對性將位于鐵蛋白內表面的負電氨基酸替換為正電氨基酸，構建了一系列具有不同突變位點和數目的內腔正電鐵蛋白。隨后，通過核酸裝載能力的系統性評估，從中優選具有高穩定性和核酸裝載能力的鐵蛋白突變體（E61K/E64R/E140K/E147K）作為核酸載體。實驗結果表明，該鐵蛋白載體對不同類型 TLR（TLR3、TLR7/8和 TLR9）核酸配體都表現出普適且高效的裝載能力，顯著改善TLR核酸配體的體內外遞送效率，實現高效的細胞攝取、特異的胞內定位和增強的免疫激活作用。此外，鐵蛋白載體獨特的籠狀空間結構為多功能免疫治療提供了一體化平臺。在鐵蛋白載體內部裝載TLR9 核酸配體 CpG作為免疫佐劑的基礎上，研究人員進一步在其外表面化學偶聯光動力光敏劑二氫卟吩作為腫瘤免疫原性死亡的誘導劑以實現協同免疫。在荷瘤小鼠模型中，基于鐵蛋白載體的免疫聯合治療有效激活了系統性抗腫瘤免疫響應，顯著抑制了雙側瘤生長及遠端轉移的發生。更重要的是，鐵蛋白載體在體內外都表現出良好的生物安全性。綜上，該研究不僅拓寬了鐵蛋白藥物載體的載藥譜，還為高效遞送核酸藥物提供了新策略。

　　中國科學院生物物理研究所閻錫蘊院士及范克龍研究員為本文的共同通訊作者，博士研究生張寶麗為第一作者。該研究得到了前沿科學重點研究計劃、中科院戰略性先導項目、國家自然科學基金、中國科學院創新交叉團隊、中國科學院青年創新促進會的資助。

圖：鐵蛋白-核酸遞送系統及其增效抗腫瘤免疫的示意圖