免疫抑制微環境是腫瘤治療的最大障礙之一。在許多腫瘤中，M2極化巨噬細胞是免疫抑制的罪魁禍首。張等人的一項研究表明，在不引起全身炎症的情況下可將巨噬細胞從免疫抑制型M2表型重編程為促炎性抗腫瘤M1型巨噬細胞。這項研究發表在Nature Communications雜誌上。
為將巨噬細胞從M2型重編程為M1表型，作者開發了靶向納米載體，可將編碼M1極化轉錄因子的體外轉錄mRNA（IVT-mRNA）遞送至表達CD206的吞噬細胞中。CD206是一種在腫瘤相關巨噬細胞中上調的甘露糖結合凝集素。研究人員選擇的mRNA包括可以驅動巨噬細胞向M1極化的IRF調節因子5（IRF5）和其激活激酶IKKβ。將這兩種mRNA按3：1的比例包裝在以二甘露糖修飾的納米粒子中，並將這種納米粒子轉入巨噬細胞內以誘導目的蛋白的表達。和預期結果一致，IRF5瞬時表達上調，5天后即恢復至基線水平。
為確定IRF5和IKKβ是否能夠有效的將巨噬細胞從M2重編程為M1型，研究人員用IL-4培養骨髓來源的巨噬細胞（BMDMs）以產生M2型巨噬細胞。當IVT-mRNA納米粒轉染M2巨噬細胞後，基因表達譜顯示M2型巨噬細胞朝著炎性巨噬細胞表型轉化，後者可通過TLR4刺激BMDMs產生。M1極化轉錄因子的作用使得Serpinb2和CCL11等M2型巨噬細胞標誌性基因表達下調，而M1型巨噬細胞標誌性基因如CCL5表達升高。
為驗證巨噬細胞重編程在體內是否有效，研究者用IVT-mRNA納米載體系統在晚期且無法切除的卵巢癌小鼠模型中進行了測試。與PBS對照組和空載納米粒子對照組相比，每週腹腔注射IRF5/IKKβ IVT mRNA的納米粒子可使所有小鼠的疾病症狀消退，其中40%的小鼠腫瘤被清除且長期存活。經治療的小鼠總體中位生存期為142天，而對照組僅為60天。
研究者接著探討了IRF5/IKKβ mRNA納米粒抑制腫瘤生長的機制。納米粒經腹腔注射後，通常集中在腹膜包覆的器官中，同時也有一些粒子進入體循環。結果如預期，納米粒子優先進入表達CD206的細胞，巨噬細胞和單核細胞是納米顆粒的主要目標，DC細胞和中性粒細胞中也有部分被轉染。
多次mRNA納米粒子治療後，對小鼠腹腔內巨噬細胞和單核細胞進行表型和功能分析。結果表明，對照組免疫抑制型巨噬細胞比例為43%，而治療組降低至2.5%。同時，對照組M1樣巨噬細胞比例約為0.5%，而IRF5/IKKβ mRNA治療組小鼠M1樣巨噬細胞比例上升至10.2%。治療組小鼠炎症單核細胞的比例從4.5%增加到73.4%。經分析，IL-12、IFN-γ、TNF-α等促炎或抗腫瘤細胞因子釋放增加，而與M2分化有關的IL-6分泌減少。
除了在巨噬細胞和單核細胞中觀察到的變化外，研究人員還發現了腫瘤組織內或周圍有密集的淋巴細胞群。研發發現CD8+T細胞耗竭後可減少但並未完全去除IRF5/IKKβ mRNA納米粒的抗腫瘤效果，表明除CD8+T細胞外還有其它因素共同參與了腫瘤免疫應答。在研究中，作者未發現炎症、壞死和全身毒性的現象，這表明納米粒子重複給藥的安全性。
接下來，研究者探討了納米粒子是否可以全身遞送以控制轉移性腫瘤。研究人員利用小鼠黑色素瘤肺轉移模型證實腫瘤遷移與腫瘤中吞噬細胞的富集有關。經靜脈注射的IRF5/IKKβ mRNA納米粒更傾向於分佈到含有大量的巨噬細胞或吞噬細胞的器官。IRF5/IKKβ mRNA納米粒治療減少了肺部的腫瘤負荷以及單個轉移灶的數量，同時提高了總生存率。流式細胞術顯示免疫抑制性巨噬細向活化的吞噬細胞的轉化。研究中未觀察到明顯的毒性或全身炎症反應。
研究者建立了更具有挑戰性的小鼠膠質瘤模型， 該模型的腫瘤組織內富含大量M2型巨噬細胞。數據表明，IRF5/IKKβ mRNA納米粒作為一種單藥治療只能適當的延緩腫瘤的進展。當結合標準的放射療法時，腫瘤生長明顯減少。與單純放療相比，納米粒子的加入提高了小鼠的存活率，並且與未治療的小鼠相比存活率增加了一倍以上。
為驗證其納米粒載體系統是否可以用於重編程人巨噬細胞，研究人員先將人單核THP-1細胞株誘導為M2巨噬細胞，然後再用IVT-mRNA納米粒對其進行處理。納米粒可有效轉染人巨噬細胞並且增加IL-1β的分泌以及提升M1型巨噬細胞標記物CD80的表達。
綜上，研究者得出結論：編碼IRF5和IKKβ的IVT-mRNA納米粒可將M2型巨噬細胞重編為M1型，以起到抗腫瘤免疫應答的作用。基於體外數據以及體內卵巢癌、黑色素瘤和膠質瘤的研究結果，研究者計劃啟動一項針對化療耐藥的卵巢癌患者的Ⅰ期臨床試驗，擬通過腹腔遞送IVT-mRNA納米粒進行治療。
Reference
Zhang F, Parayath N.N, Ene C.I, Stephan S.B, Koehne A.L, Coon M.E, Holland E.C, Stephan M.T. Genetic programming of macrophages to perform anti-tumor functions using targeted mRNA nanocarriers. Nat Commun. 2019 sep 3.
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