近日，中国科学院长春应化所马平安研究员和所在团队，通过简单的室温合成方法，首次制备了弱碱性碳酸氢钠纳米颗粒（NaHCO3 NPs），并将其用于肿瘤免疫治疗。
图 | 马平安（来源：马平安）
这是一种简单无药的无机纳米材料弱碱性碳酸氢钠纳米颗粒，解决了肿瘤免疫治疗中免疫应答低和免疫抑制肿瘤微环境这两大问题，实验显示 NaHCO3 纳米颗粒显示出良好的抗肿瘤治疗效果。
可以说，该工作不仅为乳酸代谢和焦亡介导的肿瘤治疗提供了新范式，在临床肿瘤免疫治疗中也具有一定应用潜力。
由于 NaHCO3 纳米颗粒可以通过焦亡诱导的免疫激活和乳酸中和解除的免疫抑制，来促进癌症免疫治疗。预计它可以作为一种有效的辅助癌症治疗策略，并通过和现有免疫检查点治疗相结合，克服当面免疫治疗的局限，从而提高临床免疫治疗效果。
具体在使用时当 NaHCO3 纳米颗粒进入肿瘤后，一部分会直接和肿瘤微环境中的乳酸进行中和，从而有效缓解免疫抑制的肿瘤微酸环境。另一部分则会进入肿瘤细胞内，在酸性溶酶体条件下降解从而释放大量 Na+离子，进而导致细胞内离子浓度和渗透压的激增，进而激活 caspase-1/GSDMD 依赖的细胞焦亡途径。
最后，在焦亡诱导的免疫激活、以及酸中和解除的免疫抑制的共同作用之下，NaHCO3 纳米颗粒不仅可以有效激活全身抗肿瘤免疫反应，而且能够有效降低免疫抑制细胞含量，包括降低 M2 型巨噬细胞、调节性 T 细胞（Treg）、以及骨髓来源的抑制性细胞（MDSC）等细胞的含量，从而实现高效的原位抗肿瘤免疫激活。
（来源：Angewandte Chemie）
亟需发展新型药物制剂来诱导细胞焦亡
据介绍，肿瘤免疫治疗是利用机体自身免疫系统对抗癌症的一种治疗手段，是继手术切除、化疗和放疗后，临床使用的第四大癌症治疗方法。
近年来，以免疫检查点阻断治疗为代表的免疫治疗在临床上被广泛关注，并表现出良好的应用前景。但是，免疫响应率较为有限（平均响应率约为 20%）、以及被免疫抑制的肿瘤微环境，仍然是当前免疫治疗面临的突出挑战。
其根本原因在于，肿瘤细胞会发展出包括遗传、表观遗传和代谢等多个水平上的调控机制，以便逃避免疫系统从而抵抗免疫治疗，进而极大降低免疫治疗的效果。
其中，能量代谢重编程是肿瘤细胞免疫逃逸的重要手段，即通过修改或重新调整细胞代谢途径，以便更有力地支持肿瘤细胞增殖。例如，著名的“Warburg 效应”指的便是肿瘤细胞即便在氧气充足的情况下，依然能将摄取的大量葡萄糖经糖酵解之后代谢生成乳酸。
这种与正常细胞完全不同的代谢差异，导致肿瘤微环境中乳酸不断累积，进而可以促进肿瘤生长、血管生成以及侵袭转移。更为重要的是，肿瘤微环境中积累的乳酸，还可以通过多种途径来抑制机体免疫响应，极大影响肿瘤免疫治疗效果。
例如，乳酸会抑制树突细胞的抗原递呈过程和成熟分化，也能促进肿瘤相关巨噬细胞向 M2 型极化，更能显著抑制毒性 T 淋巴细胞的细胞毒性，还可以通过给调节性 T 细胞供给乳酸，来抗衡效应 T 细胞的杀伤作用等。
总之，乳酸作为一种糖酵解代谢物，在维持免疫抑制性肿瘤微环境中发挥着极为关键的作用，会让免疫治疗的效果受到极大限制。
而靶向乳酸代谢可能成为一种有效的辅助癌症治疗新策略，从而逆转免疫抑制肿瘤微环境，进而促进肿瘤免疫治疗。
纳米生物材料可以通过多种途径提高免疫治疗效果，例如纳米材料介导的化疗、光热治疗、光动力治疗、声动力治疗等，都可以通过诱导免疫原性细胞死亡来促进免疫激活。
但是，这种通过传统细胞凋亡介导的肿瘤治疗的体内免疫激活效果依旧有限。和细胞凋亡不同的是，细胞焦亡（Pyroptosis）是一种程序性细胞坏死，它是一种由 caspase 激活、且依赖于 gasdermins 蛋白家族形成细胞质膜膜孔的可调控型炎症性细胞死亡。
当细胞焦亡发生时，会导致细胞肿胀、鼓泡，使细胞膜失去完整性，从而释放大量细胞内容物、炎症因子，并会损伤相关分子模式。
最近的研究表明，细胞焦亡不仅可以有效杀死肿瘤细胞，而且其所引发的强烈炎症反应，可以高效地诱导机体产生抗肿瘤免疫活性。
目前，常见的焦亡诱导剂比如小分子化疗药物、活性蛋白等，面临着血液循环清除快、非特异性生物分布、以及大剂量药物会引起全身不良反应等问题。因此，亟需发展新的药物制剂来诱导细胞焦亡，从而促进肿瘤治疗的发展。
在细胞水平和动物水平均获得成功验证
近年来，马平安和课题组围绕肿瘤免疫治疗和焦亡介导的肿瘤治疗发表了一系列论文。
前期，他们主要集中在如何提高机体的抗肿瘤免疫响应上，并通过诱导免疫原性细胞死亡、构建肿瘤纳米疫苗和发展细胞焦亡佐剂三个主要策略，实现了原位的抗肿瘤免疫激活。
尽管在上述工作中，他们已经取得了不错的抗肿瘤治疗效果。但是，免疫抑制的肿瘤微环境、特别是高浓度乳酸的存在，依然是抗肿瘤免疫治疗的制约因素。
调节乳酸代谢的现有方法主要是采用一些小分子抑制剂，通过靶向单羧酸转运蛋白，从而抑制乳酸从肿瘤细胞中排出，进而破坏乳酸传递链，借此实现乳酸的代谢调控。
例如，作为单羧酸转运体 1 受体的小分子抑制剂，α-氰-4-羟基肉桂酸已被广泛用于乳酸的代谢调控和肿瘤治疗研究。然而，其本征的疏水特性所导致的低肿瘤传递效率，极大限制了乳酸代谢治疗的研究进展。
通过小分子纳米化也就是让介孔纳米材料负载、或让纳米材料直接包覆，虽然能在一定程度上提高其生物利用度，但是仍然存在制备过程繁琐、药物负载率低等问题。
而且，针对不表达或低表达单羧酸转运蛋白的肿瘤细胞系，小分子抑制剂的效果会进一步受限。因此，开发简单高效的新型乳酸代谢调控体系，并研究其和免疫治疗之间的协同关系，依然是目前亟待解决的关键问题。
而该团队的想法其实非常简单，就是通过酸碱中和作用去消耗乳酸，从而研究乳酸消耗对于抗肿瘤免疫效果的影响。
同时，他们想继续联合细胞焦亡，从而在杀死肿瘤细胞的同时，实现原位强效免疫激活，最终在这两方面协同作用之下，实现高效抗肿瘤免疫治疗。
要想同时满足这两个条件，首先要求所制备的材料最好本身是碱性的。另一方面，基于前期课题组已经做了很多通过纳米材料释放离子、从而诱导细胞渗透压激增以便激活细胞焦亡的工作，因此他们期望所制备的纳米材料具备可生物降解的特性，并能在肿瘤细胞之内释放大量离子。
基于这些设想，他们打算合成一种小苏打纳米颗粒，小苏打本身具有弱碱性，且能在水中释放出 Na+离子。
接下来，就是如何实现 NaHCO3 NPs 的合成，期间该团队尝试了很多方法。最终通过一种简单的室温微乳液的方法，成功实现了纳米材料的制备。并在细胞水平和动物水平开展生物学功能验证，逐一验证了前期的实验设想。
其中，在动物实验阶段为了评估体内的抗肿瘤免疫效果，需要对肿瘤引流淋巴结和肿瘤组织中的免疫细胞进行测定。这一实验的工作量很大，而且当把单细胞提完之后，要在最快时间内完成染色标记和流式检测。
马平安表示：“想要一个人完成基本不太可能。我们组每次做该实验时，总是大家一起互相帮忙。由于此次检测的免疫细胞种类较多，大家更是互帮互助。当然，这只是平时实验室里互帮互助、相互请教的一个小缩影。我一直坚信，良好的实验室氛围有助于好的工作的产出。所以作为导师，我也一直在朝这个方向努力。”
日前，相关论文以《碳酸氢钠纳米粒子诱导焦下垂调节乳酸代谢用于癌症扩增免疫治疗》（Sodium Bicarbonate Nanoparticles for Amplified Cancer Immunotherapy by Inducing Pyroptosis and Regulating Lactic Acid Metabolism）为题发在 Angewandte Chemie（IF 16.6），DingBinbin 是第一作者，马平安和长春应化所林君研究员担任共同通讯作者 [3]。
图 | 相关论文（来源：Angewandte Chemie）
基于 NaHCO3 纳米颗粒良好的治疗效果，以及乳酸中和介导的免疫抑制解除的学术思想，后期他们将继续开发一类弱碱性钠盐纳米材料体系，例如柠檬酸钠、磷酸氢二钠等，并将详细研究它们的焦亡诱导能力、乳酸中和能力、以及在增强肿瘤免疫治疗中的作用，特别是和现有免疫检查点抑制剂联合作用的情况。
于此同时，其还将深入探索不同阴离子（柠檬酸根、磷酸氢根等）自身的细胞作用机制以及对于免疫效应的影响。这些问题的探索将能够揭示细胞焦亡和乳酸代谢调节与免疫治疗的系统关系，并为克服临床免疫检查点治疗所面临的挑战提供重要参考和理论指导。
参考资料：
1.Adv. Mater., 2018, 30, 1802479; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 16381-16384; J. Am. Chem. Soc., 2023, 145(13), 7205-7217
2.Nano Lett., 2021, 21(19), 8281-8289; Chem. Mater., 2022, 34(4), 1800-1808; Angew. Chem. Int. Ed., 2023, e202215307
3.Ding, B., Zheng, P., Tan, J., Chen, H., Meng, Q., Li, J., ... & Lin, J. (2023). Sodium Bicarbonate Nanoparticles for Amplified Cancer Immunotherapy by Inducing Pyroptosis and Regulating Lactic Acid Metabolism.Angewandte Chemie, e202307706.
