Photosynthetic microorganisms coupled photodynamic therapy for enhanced antitumor immune effect

光合微生物耦合光動力療法增強抗腫瘤免疫效應

來源：Bioactive Materials 12 (2022) 97–106

 

一、摘要概述

 

論文提出一種光合微生物（小球藻Chlorella, Chl.）耦合光動力療法（PDT）的新策略，通過雙重機制增強抗腫瘤效果：

 

核心創新：利用Chl.的光合產氧能力逆轉腫瘤缺氧，同時通過光控釋放免疫佐劑逆轉免疫抑制微環境。

 

雙重作用：

 

局部增強：Chl.在660 nm激光照射下持續產氧，提升PDT的光敏劑（Ce6）活性，增加單線態氧（1O?）生成（圖2d）。

 

 

系統免疫：PDT破壞Chl.釋放佐劑（如ARS-2、β-葡聚糖），激活樹突細胞（DCs）和巨噬細胞，促進抗腫瘤T細胞應答（圖3）。

 

 

治療效果：在結腸癌（CT26）、乳腺癌（4T1）等多種小鼠模型中：

 

原發腫瘤抑制率90%，遠端腫瘤抑制率75%（圖4b,d）；

 

 

再挑戰腫瘤完全抑制率100%，肺/肝轉移抑制率90%（圖5d, 圖6b-d）。

 

 

 

二、研究目的

 

解決PDT臨床應用的兩大瓶頸：

 

腫瘤缺氧：限制PDT的ROS生成效率，降低局部療效。

 

免疫抑制微環境：阻礙PDT誘導的全身性抗腫瘤免疫應答，導致復發和轉移。

 

科學目標：利用Chl.的生物學特性同步克服缺氧與免疫抑制，實現PDT局部與系統療效的雙重提升。

 

三、研究思路

 

材料設計：

 

合成Ce6納米顆粒（Ce6-NPs）作為光敏劑（直徑≈115 nm）。

 

Chl.培養：BG-11培養基中擴增，經離心純化后與海藻酸鈉混合，延長瘤內滯留（方法2.1）。

 

作用機制驗證：

 

體外：

 

氧生成檢測（Unisense電極，圖2b-c）；

 

佐劑釋放分析（LC-MS，圖3b）；

 

DCs/巨噬細胞激活實驗（圖3c-h）。

 

體內：

 

雙腫瘤模型評估局部與遠端療效（圖4a）；

 

免疫細胞浸潤分析（流式/免疫熒光，圖4n）；

 

轉移模型評價抗轉移效果（圖6）。

 

治療方案：

 

瘤內注射Chl.（4×10? CFU/mL）后，靜脈注射Ce6-NPs；

 

先以~600 nm光（10,000 lux）激活Chl.產氧，再以660 nm激光（1 W/cm2）觸發PDT（圖1）。

 

 

四、測量的數據及其研究意義

1. 氧生成與PDT增效（體外）

 

數據來源：圖2b-d（氧動力學）、圖2d（1O?檢測）。

 

關鍵結果：

 

Chl.光照30分鐘產氧>300 μM（圖2b），重復照射仍高效（圖2c）。

 

Chl.+Ce6-NPs組1O?生成量超95% O?組2.1倍（圖2d）。

 

研究意義：證實Chl.可持續供氧，直接增強PDT的細胞毒性（圖2f）。

 

2. 佐劑釋放與免疫激活（體外）

 

數據來源：圖3b（質譜分析）、圖3c-h（免疫細胞激活）。

 

關鍵結果：

 

660 nm激光觸發Chl.釋放ARS-2、糖蛋白等佐劑（圖3b，圖S4）；

 

佐劑使DCs成熟率（CD80?CD86?）提升至LPS組的1.3倍（圖3c）；

 

IL-12p70分泌量增加12倍（圖3d）。

 

研究意義：揭示Chl.通過TLR2/9等通路激活APCs，為系統免疫應答奠定基礎。

 

3. 局部與遠端抗腫瘤效果（體內）

 

數據來源：圖4b-e（腫瘤體積）、圖4k-m（抑制率）。

 

關鍵結果：

 

局部腫瘤：Chl.+PDT組完全緩解率62.5%（vs. PDT組27.3%，圖4c）；

 

遠端腫瘤：免疫健全鼠抑制率75%，裸鼠模型無效（圖4d-e），證實依賴適應性免疫。

 

研究意義：Chl.耦合PDT誘導特異性T細胞應答，抑制非照射區腫瘤（圖4n）。

 

4. 免疫記憶與轉移抑制

 

數據來源：圖5g-i（記憶T細胞）、圖6b-d（轉移灶）。

 

關鍵結果：

 

脾臟CD44hiCD62Llow T細胞增加3倍（圖5g）；

 

肺轉移灶減少90%（圖6c），再挑戰腫瘤完全抑制（圖5d）。

 

研究意義：佐劑釋放驅動長效免疫記憶，防止復發和轉移。

 

五、結論

 

機制創新：

 

Chl.提供 “氧供應-佐劑釋放”雙功能，同步解決PDT的缺氧限制與免疫抑制瓶頸。

 

治療優勢：

 

高效局部清除：缺氧改善使腫瘤細胞凋亡率提升40%（圖2e-f）；

 

系統免疫激活：通過TLR2/9通路增強DCs提呈，細胞毒性T細胞浸潤增加2.5倍（圖4n）。

 

臨床潛力：Chl.為天然生物材料，安全性高，方案易轉化。

 

六、丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

1. 測量方法與數據位置

 

技術原理：使用Unisense OX-NP針式傳感器（方法2.3），實時監測溶解氧濃度，精度達μM級。

 

檢測場景：

 

體外溶液：量化Chl.在~600 nm光照下的產氧動力學（圖2b-c）；

 

瘤內微環境：輔助驗證Chl.逆轉腫瘤缺氧。

 

2. 關鍵結果與機制關聯

 

結果：

 

光照30秒內氧濃度速升>100 μM，證實Chl. 快速響應光刺激（圖2b）；

 

多次光照循環后仍維持80%產氧效率，支撐可持續供氧能力（圖2c）。

 

機制關聯：

 

氧濃度與1O?生成呈正相關（R2=0.98），直接解釋PDT增效（圖2d）；

 

瘤內氧分壓從<10 mmHg升至>40 mmHg，逆轉缺氧核心區。

 

3. 研究意義

 

技術優勢：

 

高時空分辨率：秒級動態監測，避免傳統GC法的取樣誤差；

 

微創原位檢測：針式傳感器（直徑1.6 mm）直接插入組織，真實反映瘤內氧梯度。

 

機制驗證價值：

 

明確Chl.產氧量劑量依賴性（4×10? CFU/mL為最優濃度）；

 

為光照參數優化（強度/時長）提供定量依據，指導臨床方案設計。

 

領域貢獻：為生物材料介導的氣體療法建立金標準檢測平臺。

 

總結：本研究首創Chl.耦合PDT策略，通過Unisense電極等多項技術證實其雙重增效機制。Chl.的光控產氧與佐劑釋放特性，使PDT從局部治療升級為系統免疫激活療法，為轉移性腫瘤提供新思路。