免疫检查点阻断(ICB)疗法作为一种癌症免疫治疗方法，有望解决传统方法（如手术切除、放疗和化疗）在克服癌症转移和复发所面临的挑战。然而，临床实践发现，ICB疗法受限于肿瘤免疫抑制微环境的影响，仅对少部分肿瘤患者（低于20%）受益。研究表明，肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)在肿瘤微环境（TME）中的浸润和驻留是削弱ICB治疗效果的主要机制之一。因此，TAMs成为改善免疫抑制型TME以增强癌症免疫治疗的重要靶点。TAMs根据其免疫表型可以分为M2 TAMs和M1 TAMs。M1 TAMs可以改善肿瘤免疫抑制TME并杀伤肿瘤细胞，而M2 TAMs通过加重TME免疫抑制促进肿瘤细胞生长和转移。考虑到TME中绝大部分TAMs是免疫抑制性的M2 TAMs，将M2 TAMs再极化为M1 TAMs将有助于癌症ICB治疗。
巨噬细胞代谢模式与其免疫表型的转变和维持有关。在M1 TAMs中，糖酵解作为主要的能量代谢方式，引起柠檬酸、琥珀酸和衣康酸累积，从而使TAMs朝向炎症表型转变。相反，M2 TAMs通过与氧化磷酸化（OXPHOS）耦合的氧化TCA循环获取能量，表现出低的糖酵解和强的抗炎表型。线粒体作为反馈循环的一部分，通过释放信号分子（包括活性氧、钙离子、一氧化氮及其他代谢产物）与其他细胞器进行沟通，调节细胞代谢。值得注意的是，线粒体不仅可以调节自身细胞的代谢，还可以通过从自体细胞移植到受体细胞，介导受体细胞的代谢，从而提高受体细胞活力和功能。尽管人工移植线粒体已在体内外证实可以改善受体细胞的功能，但是否能重编TAMs的免疫表型及改善肿瘤ICB治疗仍不清楚。
近日，武汉大学化学院黄世文教授，中南医院放射科邓凯博士和核医学科徐聃博士合作，在Advanced Science上发表题为Surface Molecularly Engineered Mitochondria Conduct Immunophenotype Repolarization of Tumor-Associated Macrophages to Potentiate Cancer Immunotherapy的研究论文。该研究首次提出靶向移植M1型巨噬细胞中的线粒体至M2 TAMs，用于诱导M2 TAMs的代谢转变成以糖酵解为主，从而重编M2 TAMs免疫表型，实现逆转肿瘤免疫抑制微环境并强化癌症ICB治疗。（图1）
图1. 线粒体靶向移植重编肿瘤相关巨噬细胞免疫表型以强化癌症免疫治疗。
为了获取不同表型巨噬细胞中的活性线粒体，作者应用标准的线粒体分离方法，分别从炎性M1型巨噬细胞和抗炎性M2型巨噬细胞中提取到具有生物活性的两种线粒体（M1mt 和M2mt）。考虑到M2 TAMs表面高表达的甘露糖受体及线粒体表面高的负电荷，作者利用甘露糖（mannose）与聚乙烯亚胺（PEI1800）键合形成的mPEI1800通过静电吸附至M1mt 和M2mt表面，形成具有M2 TAMs靶向的功能化线粒体（mPEI/M1mt和mPEI/M2mt）。作者通过分析功能化前后线粒体粒径、形状、电势等参数，证实mPEI1800功能化不会影响线粒体的形态和活性，这对于线粒体的靶向移植具有重要意义。
作者在细胞水平探究了表面分子功能化线粒体重编巨噬细胞免疫表型性能和相关机制。相对于未经修饰的线粒体，表面分子功能化修饰的线粒体（mPEI/M1mt和mPEI/M2mt）可以被M2型巨噬细胞高效摄取。值得注意的是，相对于抗炎性巨噬细胞来源的线粒体mPEI/M2mt，炎性巨噬细胞来源的线粒体mPEI/M1mt可以显著提升M1型巨噬细胞的极化率（CD86 = 84.5%，CD80 = 87.7%），并且对于巨噬细胞具有良好的生物安全性。机制分析表明，mPEI/M1mt通过介导M2型巨噬细胞的代谢转变成以糖酵解为主，诱导细胞内活性氧物质（ROS）升高，从而强化NF-κB p65、MAPK p38和JNK的磷酸化，最终实现M1型巨噬细胞极化。
作者进一步在体内探究了表面分子功能化线粒体的抗肿瘤效果和相关免疫效应。体内抗肿瘤研究表明，经瘤内移植mPEI/M1mt可以显著增强免疫检查点抑制剂 （anti-PD-L1）的肿瘤抑制率（乳腺癌抑制率 = 80.9%，结直肠癌抑制率 = 77.8%）和抗肿瘤细胞的肝脏转移能力，延长了荷瘤小鼠的生存周期。作者深入探究线粒体移植后肿瘤组织的免疫微环境发现，瘤内移植mPEI/M1mt通过再编程M2 TAMs至M1 TAMs（乳腺癌18.9%，结直肠癌16.2%），逆转了肿瘤免疫抑制微环境，激发了以肿瘤杀伤性CD4+和CD8+ T细胞介导的适应性免疫反应。
这项工作提出的表面分子工程化炎性巨噬细胞线粒体移植策略不仅扩展了线粒体移植技术的应用范围，还为改善临床肿瘤免疫治疗提供了新范式。黄世文教授、邓凯博士为本研究共同通讯作者，徐聃博士、李嘉咪博士、张才菊博士为共同第一作者。
原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202403044
多学科交叉研究团队简介
黄世文，武汉大学化学与分子科学学院教授、博士生导师。主要从事生物医用高分子材料在药物控释和癌症诊疗中的应用及纳米生物医学。2008年入选教育部新世纪优秀人才支持计划。先后主持国家重大科学研究计划课题1项，教育部新世纪优秀人才项目1项，国家自然科学基金青年基金和面上项目合计11项；作为研究骨干参加973项目和国家自然科学基金重点项目多项、教育部创新团队项目1项。在Advanced Materials, Advanced Science，Biomaterials, Small, Theranostics, Advanced Healthcare Materials等SCI期刊发表论文100余篇，先后获得获湖北省自然科学一等奖、二等奖，教育部自然科学二等奖，湖北省科技进步二等奖及武汉市科技进步一等奖各1次。
邓凯，副主任技师，入选武汉市英才优秀青年人才。主要从事生物医用材料在癌症和炎性疾病诊疗中的应用。先后主持国家和省级自然科学基金3项，中央高校基本科研业务费专项资金资助项目1项，武汉大学中南医院科技创新培育基金1项；作为研究骨干参加国家自然科学基金重点项目和面上项目多项。在Advanced Science, Biomaterials, Acta Biomaterialia, Advanced Healthcare Materials, Nanoscale等期刊发表SCI论文10余篇。
徐聃，主治医师，主要聚焦胶质瘤多模态影像学研究。近五年以第一/共一作者在 Clinical Infectious Diseases、Neuroimage、JMRI、Adv. Sci.等期刊累计发表研究论文章10余篇。
张才菊，武汉大学中南医院影像医学与核医学博士研究生，现工作于海南省人民医院，主要研究方向为肿瘤分子影像及治疗。近年来以第一作者身份在Adv. Func. Mater，Advanced Science，ACS Biomater. Sci. & Eng 期刊上发表SCI 3篇。
李嘉咪，武汉大学化学与分子科学学院博士研究生，现工作于湖北省人民医院，主要研究方向为线粒体靶向抗癌纳米药物、癌症的免疫治疗。近年来以共一作者身份在Advanced Science， ACS Applied Nano Materials，Biomaterials Science 期刊发表SCI 3篇。
