血脑屏障（BBB）的存在以及胶质母细胞瘤（GBM）免疫抑制微环境的特点对靶向GBM治疗提出了重大挑战。为了解决这一问题，提出了一种仿生混合细胞膜修饰的双驱动异质结纳米马达（HM@MnO2-AuNR-SiO2）用于靶向GBM治疗。这些纳米马达通过模仿GBM和巨噬细胞膜的表面特性，设计用于绕过BBB并靶向胶质瘤区域。更重要的是，MnO2-AuNR-SiO2异质结结构能够通过近红外-II（NIR-II）光和氧气气泡实现双驱动推进，使其能够在深部肿瘤部位有效治疗。与此同时，等离子体AuNR-MnO2异质结构有助于电子-空穴对的分离，并在NIR-II激光照射下生成活性氧（ROS），诱导免疫原性肿瘤细胞死亡。此外，肿瘤微环境中的MnO2与肿瘤微环境反应释放Mn2+离子，激活cGAS-STING通路，增强抗肿瘤免疫。体外和体内实验表明，这些双驱动仿生纳米马达实现了主动靶向和深部肿瘤渗透，促进了M1型巨噬细胞极化、树突状细胞成熟和效应T细胞激活，从而通过ROS生成和STING通路激活增强了GBM的催化免疫治疗效果。该研究以题为“Biomimetic Dual-Driven Heterojunction Nanomotors for Targeted Catalytic Immunotherapy of Glioblastoma” 发表在Advanced Functional Materials上。
胶质母细胞瘤（GBM）是一种源自神经胶质细胞的原发性脑肿瘤，其特点是其浸润性生长模式和复杂的脑内解剖位置，这对治疗提出了重大障碍。尽管在治疗策略上取得了进展，包括手术、放疗和化疗，但由于其侵袭性和有限的治疗效果，GBM的有效治疗依然困难重重。其中，血脑屏障（BBB）对治疗药物有效送达肿瘤部位构成了重大挑战。近年来，主动靶向方法的进展为克服这一挑战提供了有希望的途径。特别是，细胞膜靶向已成为一种特别有效的策略。例如，通过使用胶质母细胞瘤膜（GM）进行同源靶向涂层，可以实现高度有效的GBM部位积累。此外，巨噬细胞膜（MM）修饰的纳米颗粒能够穿透BBB，从而更容易到达肿瘤组织并增强积累效率。虽然单细胞膜修饰的纳米颗粒已初步取得成功，但其靶向特异性仍然有限。相比之下，混合细胞膜靶向可以提供了一种更有效的方法，促进了纳米颗粒在肿瘤微环境中的增强积累，从而提高治疗效果。
此外，肿瘤的致密微环境也为药物穿透GBM的深层组织设置了额外障碍，进一步限制了治疗效果。最近，微/纳米马达因其能够主动穿越生物介质的特性，成为了人们的关注热点，有可能实现对肿瘤组织的深度穿透。然而，目前大多数纳米马达依赖于单一的驱动力。双驱动纳米马达利用两种驱动力——光热和气泡推进，提供了更强的推进能力，使其能够更深地渗透到实体肿瘤部位，是一种有效策略。与传统的癌症治疗策略不同，催化治疗具有非侵入性、精确的时空控制和高效性，能够在最小副作用下取得良好的治疗效果。催化治疗主要集中在通过O2或H2O2高效生成活性氧（ROS），以诱导癌细胞的氧化损伤。然而，ROS在肿瘤中的渗透深度有限，且肿瘤微环境中特别高浓度的谷胱甘肽（GSH）可能阻碍ROS在肿瘤区域的积累。因此，迫切需要开发新型的癌症催化药物，特别是通过扩展底物和治疗方法的范围。
近期的研究表明，利用纳米平台协同激活环鸟苷酸-AMP合成酶-干扰素基因刺激因子（cGAS-STING）通路已成为癌症免疫治疗的关键策略。激活cGAS-STING通路能够增加促炎细胞因子和I型干扰素（IFNs）的产生，从而触发强烈的宿主免疫反应，并增强治疗效果。此外，最近的研究强调了金属离子在促进cGAS-STING信号转导中的重要作用。其中，锰离子（Mn2+）是最常用的金属离子，用于激活STING通路。通过将STING激活与其他疗法相结合，可以实现有效的金属基免疫疗法，为癌症治疗提供了替代方案。
考虑到这些挑战和最近的进展，该研究提出了一种新的深脑肿瘤递送策略，使用仿生混合细胞膜（HM）修饰的光热和气泡双驱动纳米马达（HM@MnO2-AuNR-SiO2）进行靶向GBM治疗（图1）。HM是通过脂质体挤出机将GM和MM融合而成的。通过模仿GM（同源肿瘤靶向能力）和MM（增强穿越BBB的能力）的表面特性，仿生纳米马达能够主动靶向并积累在大脑中的胶质瘤区域，绕过BBB。通过继承两种来源细胞膜的天然特性，混合膜确保了纳米颗粒能够有效地穿越生物屏障并以更高的特异性到达肿瘤细胞，超越了传统的单配体受体靶向方法。MnO2-AuNR-SiO2异质结结构包含部分包封的MnO2，可以将H2O2转化为氧气气泡。此外，MnO2-AuNR-SiO2异质结在近红外第二区（NIR-II，1000-1700 nm）具有强吸收，在1064 nm激光照射下实现光热转化，导致纳米马达表面产生显著的温度梯度。得益于这些特性，仿生双驱动（NIR-II光和氧气气泡）纳米马达具有主动运动能力，能够在GBM肿瘤部位深处进行有效治疗。
由于其优异的等离子体特性，AuNR-MnO2异质结构能够促进电子-空穴对的分离，并通过等离子体增强催化活性生成大量ROS，从而诱导肿瘤免疫原性细胞死亡（ICD）。此外，部分包封的MnO2可以与肿瘤微环境中的GSH反应，原位释放Mn2+。更重要的是，Mn2+能够激活STING通路，释放大量促炎因子，从而触发强烈的免疫反应，并增强肿瘤免疫治疗的效果。与现有的GBM靶向药物递送系统相比，新设计的仿生纳米马达能够实现对GBM的高效靶向和深度渗透。在近红外光照射下，纳米马达能够实现气泡和光驱动的自主运动，深入肿瘤部位，从而促进胶质母细胞瘤的有效催化免疫治疗。总体而言，在NIR-II激光照射下，这一新型纳米平台利用仿生双驱动纳米马达的深度穿透能力结合催化治疗，诱导了ROS介导的ICD和STING通路激活，可以实现 GBM的高效清除。
图1. HM@MnO2 -AuNR-SiO2纳米马达的制备工艺及其在GBM靶向催化免疫治疗中的应用示意图。
图2。仿生纳米马达的制备与表征。a) AuNRs，b) AuNR-SiO2和c) MnO2 -AuNR-SiO2的TEM图像。比例尺= 100纳米。d) TEM、HAADF和MnO2 -AuNR-SiO2的相应映射图像。比例尺= 20nm。e)不同样品的SDS-PAGE蛋白质分析。I: MnO2 -AuNR-SiO2，II: MM，III: GM，IV: HM，V: HM@MnO2-AuNR-SiO2。f)AuNR、AuNR-SiO2、MnO2 -AuNR-SiO2和HM@MnO2 -AuNR-SiO2纳米颗粒的流体动力学直径。g)不同纳米颗粒的紫外-可见-近红外光谱。h)在NIR-II照射下不同纳米颗粒的升温曲线。I)描述纳米马达的等离子体增强催化机制的示意图。j)在有或没有激光照射的情况下，在GSH (2 mm)存在下不同处理后的MB降解。k)不同处理后的•OH 的ESR谱。
图3。MnO2 -AuNR-SiO2纳米马达的运动特性。a)显示MnO2-AuNR-SiO2纳米马达的推进机制的方案。b)由暗场倒置显微镜检测的不同样品的运动轨迹。c)不同处理后不同纳米颗粒的溶血跟踪器染色。比例尺= 50 μm。d)不同处理后3D GL261细胞球体的CLSM图像。比例尺= 300 μm。e)截面图和f)不同处理后相应的平均荧光强度。
图5。体外免疫激活机制。a)显示HM@MnO2 -AuNR-SiO2纳米马达的抗肿瘤机制的示意图。b)不同处理后GL261细胞中STING途径中重要蛋白质的WB分析。c，d)用抗HMGB1和抗CRT抗体染色的不同处理后的GL261细胞的ICD分析。比例尺= 50 μm。不同处理后e)DC、f)巨噬细胞和g) T细胞的流式细胞术结果。通过FCM分析检测不同处理后h)成熟DC、i) M1巨噬细胞和j) CD8+ T细胞的百分比。G1: PBS，G2: NIR-II，G3: AuNR-SiO2，G4: MnO2 -AuNR-SiO2，G5: MnO2 -AuNR-SiO2 + NIR-II，G6: HM@MnO2 -AuNR-SiO2 + NIR-II。通过单因素方差分析确定统计学显著性(**P < 0.01，***P < 0.001，***P < 0.0001)。
图6。不同纳米粒子的血脑屏障通透性和体内外靶向性。a)体外BBB渗透性模型的图解。b)不同处理后下室中GL261细胞的CLSM图像。比例尺= 50 μm c)不同处理后下室中GL261细胞的FCM分析。d)注射后不同处理后的原位GL261-luc胶质母细胞瘤小鼠的生物发光和荧光图像。e)在注射后6小时用不同纳米颗粒切除的脑组织的荧光图像。f)不同处理后的原位GL261-luc胶质母细胞瘤小鼠的红外热图像。g)不同治疗后脑组织的响应热曲线。
图7。原位GL261-luc胶质母细胞瘤小鼠的体内抗肿瘤功效。a)显示HM@MnO2 -AuNR-SiO2纳米马达的体内抗肿瘤治疗过程的示意图。b)不同治疗后的原位GL261-luc胶质母细胞瘤小鼠的IVIS图像。c)原位GL261-luc胶质母细胞瘤小鼠的相应生物发光强度。d)不同治疗后的原位GL261-luc胶质母细胞瘤小鼠的体重和e)存活率。f)不同处理后来自原位GL261-luc胶质母细胞瘤小鼠的脑组织的H&E染色图像。比例尺= 1 mm。g)不同处理后来自原位GL261-luc胶质母细胞瘤小鼠的脑组织的TUNEL染色图像。比例尺= 200 μm。（G1: PBS，G2: NIR-II，G3: AuNR-SiO2，G4: MnO2 -AuNR-SiO2，G5: HM@MnO2 -AuNR-SiO2，G6: HM@MnO2 -AuNR-SiO2 + NIR-II。）
图8。原位GL261-luc胶质母细胞瘤小鼠的体内抗肿瘤机制。在不同处理后，来自原位GL261-luc胶质母细胞瘤小鼠的肿瘤组织中的a)DC(CD11c+，CD80+，CD86+)、b) M1样M1巨噬细胞(CD11b+，CD86+)、c) CD4+ T细胞(CD45+，CD3+，CD4+)和CD8+ T细胞(CD45+，CD3+，CD8+)的代表性流式细胞术图像。e)树突状细胞，f) M1巨噬细胞，g) CD4+ T细胞和h) CD8+ T细胞的定量分析。I)不同处理后各种免疫细胞的热图分析(n = 3)。j)不同处理(n = 3)后通过ELISA检测的各种细胞因子的热图分析。G1: PBS，G2: NIR-II，G3: AuNR-SiO2，G4: MnO2 -AuNR-SiO2，G5: HM@MnO2 -AuNR-SiO2，G6: HM@MnO2-AuNR-SiO2 + NIR-II。通过单因素方差分析确定统计学显著性(***P < 0.001，***P < 0.0001)。
总之，该研究制备了一种新型仿生双驱动异质结纳米马达，用于GBM的主动靶向催化免疫治疗。通过将GM和MM结合到纳米马达表面，能够绕过BBB，主动靶向并渗透到GBM区域。HM@MnO2-AuNR-SiO2的异质结结构不仅催化H2O2转化为氧气泡，而且在NIR-II激光照射下促进光热转化，增强氧气泡和热梯度诱导的肿瘤内运动。这种双重机制增强了肿瘤内氧气泡的产生和热梯度诱导的运动，为靶向癌症治疗提供了新的维度。重要的是，AuNR-MnO2异质结构通过等离子体增强的催化活性放大了ROS的产生，这在肿瘤内诱导ICD中起着至关重要的作用。此外，肿瘤微环境中部分包封的MnO2和GSH之间的相互作用触发了Mn2+的受控释放，激活了STING途径，并显著增强了催化免疫疗法的功效。实验结果表明，双驱动纳米马达优于气泡或光驱动纳米马达，表现出增强的3D细胞球体穿透能力。此外，细胞和动物研究都表明，这些化合物可以产生ROS并激活STING途径，引发强烈的免疫反应并增强抗肿瘤效果。
此外，仿生双驱动纳米马达在体外和体内都表现出优异的稳定性和生物相容性，显示了其实际应用和临床转化的潜力。总的来说，这种仿生纳米马达通过利用高效的靶向富集、深度渗透能力和催化免疫疗法诱导的免疫反应增强，在有效根除GBM方面具有巨大的潜力，为未来的GBM治疗提供了一种有前途的方法。
论文链接（DOI）：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202416265
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