Cellular backpacks for macrophage immunotherapy
用于巨噬细胞免疫治疗的细胞背囊
C. 怀亚特·希尔兹四世 HTTPS://ORCID.ORG/0000-0003-4138-8462, 迈克尔·A·埃文斯, 王丽文, 尼尔·鲍 HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-4058-4448, 西德哈斯·艾耶尔 HTTPS://ORCID.ORG/0000-0003-4986-4275, 黛布拉·吴, 赵宗敏 HTTPS://ORCID.ORG/0000-0001-8979-844X, 阿努沙·普苏鲁里, 安瓦伊·乌基德夫 HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-6757-7942, [...], 以及萨米尔·米特拉戈特里 HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-2459-8305 +1 作者 作者信息与隶属关系
Abstract 摘要
过继细胞转移技术作为一种颠覆性疗法崭露头角,其疾病治疗方式比小分子药物更具针对性;然而,与传统药物不同,细胞是活体,能根据环境信号改变其功能。本研究中,我们报道了一种被称为“背包”的工程化颗粒,其能牢固附着于巨噬细胞表面,并在体内调控细胞表型。背包能避免被吞噬数日,并释放细胞因子,持续引导巨噬细胞向抗肿瘤表型极化。我们证实,即使在免疫抑制性极强的乳腺癌小鼠模型中,这些抗肿瘤表型也具有持久性。与接受同等剂量自由细胞因子处理的巨噬细胞的小鼠相比,稳定的表型使转移负担减轻,肿瘤生长速度减缓。总体而言,这些研究揭示了调控和维持过继细胞免疫治疗表型的新途径。
INTRODUCTION 引言
过继细胞疗法已彻底改变了癌症治疗的临床方法。迄今为止最显著的例子是嵌合抗原受体(CAR)T 细胞疗法,它涉及表达 CAR 的工程化 T 细胞。CAR T 细胞疗法正处于临床革命的边缘(1),使得某些血液性癌症患者中有超过 90%实现了完全康复(2)。然而,CAR T 细胞疗法的成功通常依赖于(i)预先了解并存在肿瘤特异性抗原,(ii)非实体瘤(即液体癌症),以及(iii)需要数周时间来准备和扩增细胞群体(3)。相比之下,巨噬细胞能够在肿瘤特异性抗原稀少或未知的情况下,以更快速的方式杀死肿瘤细胞,这使它们具备在 T 细胞疗法力所不及之处取得成功的潜力(4)。然而,巨噬细胞在癌症免疫疗法中应用的主要障碍是,一旦注入体内,它们往往会转变为促肿瘤表型。
巨噬细胞或许是造血系统中最具可塑性的细胞类型。这种可塑性使它们能够承担多种角色,如抵御外来病原体、辅助伤口愈合以及调节组织稳态(5)。此外,巨噬细胞的表型可塑性使其成为应对多种疾病(4)的理想候选者。巨噬细胞依赖于组织微环境中可溶性信号来引导其极化为适当的表型。极化过程最好被描述为一个多维光谱(6),表面上可以简化为经典激活型(M1)和替代激活型(M2)表型。M1 巨噬细胞产生一氧化氮(NO)、活性氧物质(ROS)、肿瘤坏死因子-α(TNFα)、白细胞介素-12(IL-12)及其他引发炎症反应的细胞因子(7)。另一方面,M2 巨噬细胞则与一系列通常与伤口愈合和组织再生相关的表型相联系。然而,当组织功能失调时,巨噬细胞可以发展出促进疾病病理发生的表型(8)。 在癌症情况下,肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)通常由于实体瘤的免疫抑制微环境而采取 M2(促肿瘤)表型(9),这与肿瘤生长、血管生成、化疗抵抗和转移有关(10)。为了应对这些挑战,20 世纪 90 年代出现了多项临床试验,旨在通过体外极化以促炎性细胞因子转移巨噬细胞(4)。然而,这些策略最终未能成功,因为一旦嵌入肿瘤微环境,巨噬细胞最终会恢复为 M2 表型(图)。1A). Thus, for macrophage-based therapies to induce robust therapeutic effects in the clinic, strategies must be developed to control phenotypes of adoptively transferred macrophages in vivo.
因此,为了使基于巨噬细胞的疗法在临床中引发强有力的治疗效果,必须开发策略以控制体内过继转移巨噬细胞的表型。
我们报道了一类称为“背包”的软盘状颗粒,其能够在体内调控巨噬细胞的表型(图 1B)。). This work builds on the discovery that target geometry plays a deterministic role in the phagocytic fate of particles and that anisotropically shaped particles can evade phagocytosis for prolonged durations (11). Macrophages phagocytose particles through actin-mediated membrane motion. We have previously shown that particle shape determines coordination of polymerized actin network and that anisotropic shapes frustrate the formation of actin structures necessary to complete phagocytosis. Phagocytosis-resistant backpacks have formed the basis of several innovative demonstrations of drug delivery in the last several years (12–16). Previously reported particle-based cell therapies are mostly designed to transport payloads to target sites, whereby the payloads do not interact with the carrier cell (17). An interesting exception was demonstrated by Irvine and co-workers, which used IL-15 super-agonist to boost the activity of injected CAR T cells (18). Here, we report a class of backpacks that robustly bind to macrophages, which are cells of the innate immune system, and can provide an antigen-agnostic benefit. We demonstrate that backpack-loaded macrophages can maintain their phenotypes deep within the immunosuppressive neoplasm of solid tumors and potentiate a robust antitumor response.
这项工作基于以下发现:靶标几何形状在颗粒的吞噬命运中起决定性作用,且各向异性形状的颗粒能够长时间逃避吞噬(11)。巨噬细胞通过肌动蛋白介导的膜运动吞噬颗粒。我们此前已证明,颗粒形状决定了聚合肌动蛋白网络的协调性,而各向异性形状会阻碍完成吞噬所需的肌动蛋白结构的形成。抗吞噬的背包构成了近年来几种创新药物递送演示的基础(12-16)。先前报道的基于颗粒的细胞疗法大多设计用于将有效载荷运输至靶点,期间有效载荷不与载体细胞发生相互作用(17)。一个有趣的例外是由 Irvine 及其同事展示的,他们利用 IL-15 超级激动剂来增强注入的 CAR-T 细胞的活性(18)。在此,我们报告了一类能牢固结合巨噬细胞(即先天免疫系统的细胞)的背包,并能提供一种抗原非依赖性的益处。 我们展示了装载背囊的巨噬细胞能够在实体瘤的免疫抑制性肿瘤深处保持其表型,并能增强强有力的抗肿瘤反应。
RESULTS 结果
Backpack fabrication, characterization, and monocyte interactions
背包制备、特性分析及与单核细胞的相互作用
利用微接触印刷技术,从可生物降解的聚合物中制备了背包(见图 S1)(16, 19)。每个背包包含一个细胞粘附层、一层聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、一层聚乙烯醇(PVA)以及第二层 PLGA(图 2A)。, i and ii). PVA was chosen as the interior layer due to its hydrophilicity, enabling facile incorporation of cytokine. We chose interferon-γ (IFN-γ) due to its potency in stimulating proinflammatory macrophages and its robust antitumor activity (20). PLGA was chosen to provide structural support to the PVA layer. The cell-adhesive layer was made by layer-by-layer (LBL) assembly. It comprised two sets of alternating layers of hyaluronic acid modified with aldehyde (HA-Ald) and poly(allylamine) hydrochloride (PAH). After 1.5 hours of incubation, we found that backpacks with a cell-adhesive layer bound to 86.9% of bone marrow–derived macrophages (BMDMs) from BALB/c mice, whereas backpacks without a cell-adhesive layer bound to only 63.4% of BMDMs (see fig. S2) (21). Backpacks displayed an average stiffness of 292 ± 67 MPa, an average thickness of 1.49 ± 0.14 μm, and an average width of 7.56 ± 0.37 μm, as determined by atomic force microscopy (AFM) (Fig. 2AOpens in image viewer
i 和 ii)。我们选择聚乙烯醇(PVA)作为内层,因其亲水性,便于细胞因子轻松嵌入。鉴于干扰素-γ(IFN-γ)在刺激促炎性巨噬细胞方面的强大效果及其显著的抗肿瘤活性(20),我们选用了它。聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)则被选用以提供对 PVA 层的结构支撑。细胞粘附层通过层层组装(LBL)技术制成,由两组交替的透明质酸醛修饰层(HA-Ald)和聚(烯丙胺)盐酸盐(PAH)构成。经过 1.5 小时的孵育,我们发现带有细胞粘附层的背包装置能够结合 86.9%的 BALB/c 小鼠骨髓来源巨噬细胞(BMDMs),而没有细胞粘附层的背包装置仅能结合 63.4%的 BMDMs(见图 S2)(21)。通过原子力显微镜(AFM)测定,背包装置的平均刚度为 292 ± 67 MPa,平均厚度为 1.49 ± 0.14 μm,平均宽度为 7.56 ± 0.37 μm(图 2A)。, iii; see fig. S3).
iii;见图 S3。
我们研究了聚乙烯醇(PVA)在内背包内部对稳定干扰素-γ(IFN-γ)的作用。研究发现,随着 PVA 厚度的增加,尽管每个背包中 IFN-γ的载量相同,但其活性得到了提升(图 2B)。). This is likely because the PVA stabilized the IFN-γ when the second layer of PLGA dissolved in acetone was deposited. While thicker PVA layers improved the activity of IFN-γ, we fixed the thickness to 0.62 μm for the remainder of the study, as higher PVA content reduced printing efficiency (see fig. S4A). Next, we investigated the release of IFN-γ from the backpacks into serum media at 37°C over time (Fig. 2COpens in image viewer
).这可能是因为 PVA 在第二层 PLGA 溶于丙酮沉积时稳定了 IFN-γ。虽然较厚的 PVA 层提高了 IFN-γ的活性,但为了研究余下部分,我们将厚度固定为 0.62 微米,因为更高的 PVA 含量降低了打印效率(见图 S4A)。接着,我们研究了 IFN-γ从背包中在 37°C 的培养基中随时间的释放情况(图 2C)。). We found that backpacks released IFN-γ for at least 60 hours. We also found that backpacks maintained activity of IFN-γ after printing and storage for 3 months at −80°C (see fig. S5).
我们发现,背包能释放 IFN-γ至少 60 小时。此外,我们还发现,背包在打印后并在−80°C 下储存 3 个月后,仍能保持 IFN-γ的活性(见图 S5)。
接下来,我们通过两种技术评估了背包与原代骨髓来源巨噬细胞(BMDMs)的相互作用。首先,我们利用流式细胞术检测了荧光背包与细胞的结合情况,包括表面结合型和被吞噬型背包(图 2D)。). We found that backpacks encapsulating IFN-γ displayed a higher affinity to BMDMs than those without, which is likely due to the enhanced activity of macrophages when stimulated by IFN-γ. Over 5 days, the association of IFN-γ backpacks reduced from 83.6 to 75.4%, whereas the association of blank backpacks reduced from 77.5 to 61.2%. Second, we examined the resistance of IFN-γ backpacks to phagocytosis compared with spheres of similar volumes using fluorescence microscopy (Fig. 2EOpens in image viewer
我们发现,封装有 IFN-γ的背包对骨髓来源巨噬细胞(BMDMs)的亲和力高于未封装者,这可能是因为 IFN-γ刺激下巨噬细胞活性增强所致。在 5 天内,IFN-γ背包的结合率从 83.6%降至 75.4%,而空白背包的结合率则从 77.5%降至 61.2%。其次,我们通过荧光显微镜比较了 IFN-γ背包与体积相似的球体对吞噬作用的抵抗能力(图 2E)。). We compared the number of surface-bound backpacks (VBP = 49.8 μm3) to the number of surface-bound 3.3-μm spheres (V3.3 = 18.8 μm3) and 6.2-μm spheres (V6.2 = 124.8 μm3). Over 5 days, the proportion of backpacks that remained surface bound reduced from 89.1 to 77.3%, whereas spheres of both sizes were nearly completely internalized after 3 days (<5% remained surface-bound). Together, both sets of data suggest that the majority of cell-associated backpacks evaded phagocytosis for at least 5 days. We also imaged cells (labeled with NucBlue, blue; coumarin 6, green) displaying backpacks made from rhodamine B PLGA discs (red) using confocal microscopy (Fig. 2FOpens in image viewer
我们比较了表面结合的背包数量(V BP = 49.8 μm 3 )与表面结合的 3.3 微米球体(V 3.3 = 18.8 μm 3 )和 6.2 微米球体(V 6.2 = 124.8 μm 3 )的数量。在 5 天内,表面结合的背包比例从 89.1%下降至 77.3%,而两种尺寸的球体在 3 天后几乎完全被内化(<5%仍保持表面结合)。综合两组数据,表明大多数与细胞结合的背包至少在 5 天内逃避了吞噬作用。我们还通过共聚焦显微镜成像显示了携带罗丹明 B PLGA 圆盘(红色)背包的细胞(用 NucBlue 标记,蓝色;香豆素 6,绿色)(图 2F)。).
IFN-γ backpacks stimulate polarization of macrophages toward M1 phenotypes in vitro
IFN-γ 背包装载在体外刺激巨噬细胞向 M1 表型极化
为了评估 IFN-γ背包增强持久极化转变的效果,我们检测了与 M1 和 M2 表型相关的多个标志物的表达(图 3)。). BMDMs were cultured from murine bone marrow progenitor cells, and IFN-γ backpacks were added to cells in a ratio of 3:2, respectively. After 1.5 hours, unbound backpacks were removed, and cells were cultured for 24 to 120 hours. In addition to BMDMs with IFN-γ backpacks in standard culture conditions, we also cultured BMDMs (i) without backpacks (no IFN-γ), (ii) with blank backpacks (no IFN-γ), and (iii) without backpacks yet with an equivalent dose of free IFN-γ (16 ng/ml). We also cultured BMDMs with IFN-γ backpacks in tumor-mimicking conditions [i.e., in hypoxia (1% O2) and 10 volume % 4T1-conditioned media]. Each day for 5 days, cells were harvested, stained, and analyzed for molecular expression by flow cytometry. Expression of each biomarker was normalized to unpolarized BMDMs.
BMDMs 来源于小鼠骨髓祖细胞,并以 3:2 的比例分别加入 IFN-γ背包装载。1.5 小时后,移除未结合的背包,细胞再培养 24 至 120 小时。除了标准培养条件下携带 IFN-γ背包的 BMDMs,我们还培养了(i)无背包的 BMDMs(无 IFN-γ),(ii)携带空白背包的 BMDMs(无 IFN-γ),以及(iii)无背包但添加了等量游离 IFN-γ(16 ng/ml)的 BMDMs。此外,我们还在模拟肿瘤环境条件下培养了携带 IFN-γ背包的 BMDMs,即在低氧(1% O 2 )和 10%体积比的 4T1 条件培养基中。每天持续 5 天,细胞被收获、染色并通过流式细胞术分析分子表达。每个生物标志物的表达均归一化为未极化的 BMDMs。
携带 IFN-γ背囊的巨噬细胞显著展现出 M1 表型的特征。我们研究了 M1 标志物的相对表达情况,包括诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、主要组织相容性复合体 II 类(MHCII)和 CD80,因为它们在先天免疫中扮演重要角色。iNOS 参与 NO 的生成,NO 作为一种强效的抗肿瘤和抗菌剂(22)。MHCII 蛋白参与向 T 细胞呈递抗原,以促进适应性免疫(23)。MHCII 在 M1 和 M2 表型的巨噬细胞上均有表达,但在 M1 极化细胞中表达量更高。CD80 是一种共刺激分子,在抗原呈递细胞存在时,用于触发适应性免疫反应(24)。
展示 IFN-γ背包的巨噬细胞相对于未极化细胞,其 iNOS、MHCII 和 CD80 表达显著增加(图 3A)。). Here, we make several important observations. First, expression of both iNOS and MHCII in cells displaying IFN-γ backpacks was synergistic. Specifically, iNOS expression was 629.3-fold higher in the IFN-γ backpack group compared with only 2.4- and 1.3-fold higher in groups treated with blank backpacks and IFN-γ alone, respectively, after 48 hours. Similarly, MHCII expression was 6.3-folder higher in the IFN-γ backpack group compared with only 0.8- and 1.4-fold higher in groups treated with blank backpacks and IFN-γ alone, respectively, after 48 hours. While the origins of this apparent synergy needs further investigation, the differential protein expressions may arise, at least in part, from local and sustained concentration gradients of IFN-γ formed near the cells to which the backpacks are bound, thus enhancing the activity of IFN-γ. Second, the data suggest that the presence of backpacks without IFN-γ (blank backpacks) induces modest, but non-negligible phenotypic shifts toward M1 phenotypes, as evidenced by increased expressions of iNOS, MHCII, and CD80. This effect could be due to frustrated phagocytosis, whereby macrophages enhance their inflammatory phenotypes upon encountering large foreign objects (25, 26). Third, the expression of M1-related markers in BMDMs carrying IFN-γ backpacks was more durable than that of BMDMs cultured with free IFN-γ. Specifically, the relative expression of iNOS decreased by 89.1% after 5 days in cells treated with free IFN-γ, but only by 59.1% in cells with IFN-γ backpacks. Further, the relative expression of MHCII and CD80 decreased by 30.1 and 37.6%, respectively, after 5 days for cells treated with free IFN-γ; however, the relative expression of MHCII and CD80 in cells treated with IFN-γ backpacks actually increased by 95.7 and 248.4%, respectively, after 5 days. Last, no major differences in marker expression were observed between BMDMs with IFN-γ backpacks in standard culture conditions versus tumor-mimicking conditions, which we hypothesize will be critical to allow BMDMs to maintain M1 phenotypes in vivo. Overall, these data suggest that IFN-γ backpacks potentiate a shift in macrophage polarization toward M1 phenotypes that is more potent and durable than free IFN-γ.
在此,我们做出了几项重要观察。首先,在展示 IFN-γ背包的细胞中,iNOS 和 MHCII 的表达呈现协同效应。具体而言,48 小时后,与空白背包组和单独使用 IFN-γ组相比,iNOS 表达在 IFN-γ背包组中分别高出 629.3 倍、2.4 倍和 1.3 倍。同样,MHCII 表达在 IFN-γ背包组中高出 6.3 倍,而空白背包组和单独使用 IFN-γ组仅分别高出 0.8 倍和 1.4 倍。尽管这种明显协同效应的起源尚需进一步研究,但其差异蛋白表达可能至少部分源于在背包所附着细胞附近形成的局部且持续的 IFN-γ浓度梯度,从而增强了 IFN-γ的活性。其次,数据显示,虽然不含 IFN-γ的背包(空白背包)诱导了适度但不可忽视的 M1 表型转变,表现为 iNOS、MHCII 和 CD80 表达的增加。 这种效应可能是由于受挫的吞噬作用所致,即巨噬细胞在遇到大型异物时会增强其炎症表型(25, 26)。第三,携带 IFN-γ背包的 BMDMs 中 M1 相关标记的表达比自由 IFN-γ培养的 BMDMs 更为持久。具体而言,在用自由 IFN-γ处理的细胞中,5 天后 iNOS 的相对表达量下降了 89.1%,而携带 IFN-γ背包的细胞中仅下降了 59.1%。此外,自由 IFN-γ处理 5 天后,MHCII 和 CD80 的相对表达量分别下降了 30.1%和 37.6%;然而,使用 IFN-γ背包处理的细胞中,MHCII 和 CD80 的相对表达量在 5 天后分别增加了 95.7%和 248.4%。最后,在标准培养条件与模拟肿瘤条件下,携带 IFN-γ背包的 BMDMs 之间在标记物表达上未见显著差异,我们推测这对 BMDMs 在体内维持 M1 表型至关重要。总体而言,这些数据表明,IFN-γ背包能更有效地且持久地促使巨噬细胞极化向 M1 表型转变,其效果优于自由 IFN-γ。
我们还研究了与 M2 表型相关的标志物表达:血管内皮生长因子(VEGF)、缺氧诱导因子 1α(HIF-1α)和 CD206。VEGF 在肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)中常被过度表达,作为促血管生成细胞因子和蛋白酶的来源,促进肿瘤血管化(27)。HIF-1α同样由 TAMs 过度表达,抑制 T 细胞功能并促进肿瘤进展(28)。CD206 是甘露糖受体,与免疫抑制、血管生成和转移有关(29)。表达 IFN-γ背包的细胞显示出三种 M2 标志物的水平均较未处理对照组有所升高;然而,这种增加的程度较为温和。观察到的最高倍数变化分别为 VEGF 的 2.7 倍、HIF-1α的 3.3 倍和 CD206 的 2.6 倍。这些变化不如 M1 标志物显著,且所有三种 M2 标志物的相对表达在 5 天后恢复至接近未处理对照组的水平。
IFN-γ backpacks enable macrophages to maintain M1 phenotypes in vivo
IFN-γ背包装载使巨噬细胞能够在体内维持 M1 表型
接下来,我们旨在验证我们的核心假设,即携带 IFN-γ背包的巨噬细胞在体内能够维持其 M1 表型。我们选择原位 4T1 乳腺癌肿瘤作为免疫抑制环境模型,因其与化疗耐药、肿瘤转移以及缺乏肿瘤特异性抗原相关,使其成为 CAR-T 细胞疗法的挑战性靶点(10, 30, 31)。为区分注射的巨噬细胞与肿瘤相关巨噬细胞(TAMs),我们对骨髓来源的巨噬细胞(BMDMs)进行了 VivoTrack 680 染色(详见补充材料)。巨噬细胞通过瘤内注射给药。利用活体成像系统(IVIS)每天监测注射细胞的分布,持续 5 天(见图 S6)。5 天后,如前所述进行第二次注射。在整个研究期间,监测小鼠体重、肿瘤生长、肿瘤发光强度及坏死情况(见图 S7)。第二次注射后两天,小鼠被安乐死,取出肿瘤并消化,分离出肿瘤相关免疫细胞(CD45+)。通过层次门控法对树突状细胞和巨噬细胞进行染色和鉴定(见图 S8)。 巨噬细胞按之前的方法进行表型鉴定(见表 S1),只是用精氨酸酶 1(arg-1)的标志物代替了 VEGF。Arg-1 影响一氧化氮合酶,并下调一氧化氮的产生(32)。每个标志物的表达量均归一化为经生理盐水处理的实验小鼠中内源性肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)的表达水平。
携带 IFN-γ背包的巨噬细胞在实体肿瘤中至少保留了 48 小时的 M1 极化状态(图 4A)。). Relative to the TAMs of control mice (i.e., mice injected with saline), the expression of iNOS, MHCII, and CD80 in injected macrophages displaying IFN-γ backpacks was significantly higher than that of injected cells displaying blank backpacks or injected cells with free IFN-γ. The relative increase in MHCII and CD80 expression of cells carrying IFN-γ backpacks surpassed that of cells carrying IFN-γ backpacks in vitro (12.3- and 3.0-fold in vivo versus 6.3- and 1.3-fold in vitro for MHCII and CD80, respectively; Figs. 3AOpens in image viewer
相对于对照组小鼠的肿瘤相关巨噬细胞(即注射了生理盐水的 mice),展示 IFN-γ 背包的注射巨噬细胞中 iNOS、MHCII 和 CD80 的表达显著高于展示空白背包的注射细胞或注射自由 IFN-γ 的细胞。携带 IFN-γ 背包的细胞在 MHCII 和 CD80 表达上的相对增加,超过了体外携带 IFN-γ 背包的细胞(体内分别为 12.3 倍和 3.0 倍,而体外为 6.3 倍和 1.3 倍,分别对应 MHCII 和 CD80;图 3A)。 and 4AOpens in image viewer 和 4A). However, the relative increase in iNOS was less substantial in vivo (7.2-fold in vivo versus 629.3-fold in vitro). The reduction was due to an elevated basal expression of iNOS in the TAMs of control mice compared with untreated control cells in vitro. This observation is consistent with findings by others that iNOS expression can increase in M2-polarized TAMs (33). We also found no statistically significant differences in the relative expression of HIF-1α and CD206 between macrophages carrying IFN-γ backpacks and those carrying free backpacks or injected with free IFN-γ. Although cells carrying IFN-γ backpacks displayed significantly higher levels of Arg-1 relative to those carrying blank backpacks or injected with free IFN-γ, they did not show a significant increase in the expression of Arg-1 relative to untreated TAMs.
然而,iNOS 的相对增加在体内并不显著(体内增加 7.2 倍,而体外增加 629.3 倍)。这种减少是由于与体外未处理的控制细胞相比,对照组小鼠的肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)中 iNOS 的基础表达水平升高所致。这一观察结果与其他研究者的发现一致,即 iNOS 表达在 M2 极化的 TAMs 中可能增加(33)。我们还发现,携带 IFN-γ背囊的巨噬细胞与携带自由背囊或注射自由 IFN-γ的巨噬细胞之间,HIF-1α和 CD206 的相对表达没有统计学上的显著差异。尽管携带 IFN-γ背囊的细胞相对于携带空白背囊或注射自由 IFN-γ的细胞显示出显著更高的 Arg-1 水平,但它们相对于未处理的 TAMs 并未表现出 Arg-1 表达的显著增加。
IFN-γ backpacks shift the polarization of TAMs toward M1 phenotypes
IFN-γ 背包促使肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)向 M1 表型极化
在证实 IFN-γ背包能够使巨噬细胞在体内维持其表型后,我们试图评估接受携带 IFN-γ背包巨噬细胞过继转移后肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)的表型变化(分层门控策略见图 S8)。一种新兴的治疗策略是通过将 TAMs 极化为 M1 表型来攻击肿瘤组织(34–39)。TAMs 对癌症进展的影响取决于其极化状态(40–42)。具有 M1 表型的巨噬细胞因其在抗原依赖性和抗原非依赖性方面的特性,已被证明能改善癌症治疗效果。这使得巨噬细胞在缺乏通常用于过继 T 细胞治疗所需的肿瘤特异性抗原的肿瘤中具有潜在应用价值(43–45)。这一点已通过其他研究得以证实,他们通过递送负载抑制集落刺激因子 1 受体(CSF1-R)和 Src 同源区 2(SH2)结构域含磷酸酶 1(SHP2)通路的纳米颗粒(46)以及递送封装微小 RNA-125b 的纳米颗粒(47)来实现。 然而,在最小化毒性的同时,提供足够浓度的免疫调节因子以重新极化肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)仍是一个重大挑战。
我们为每只小鼠注射了两剂含有 50 纳克 IFN-γ的巨噬细胞,这一剂量比其他研究中使用的最大总剂量(MTD)低 100 倍(48)。我们选择相对较低的剂量是为了提供足够的 IFN-γ以维持过继转移巨噬细胞的 M1 极化,同时尽量减少毒性副作用(49)。在此实验中,小鼠接受了两次等量的生理盐水注射(对照组)以及(i)在体外用 IFN-γ(20 纳克/毫升;M1 极化)极化 24 小时的巨噬细胞,(ii)未极化的巨噬细胞注射了 50 纳克游离 IFN-γ,和(iii)携带 IFN-γ背包的巨噬细胞,这些背包包裹了 50 纳克 IFN-γ(图 4B)。). Administrations were separated by 5 days.
给药间隔为 5 天。
我们发现,接受 IFN-γ背包疗法的小鼠的肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)向 M1 表型极化,表现为与接受生理盐水的对照组小鼠的 TAMs 相比,iNOS(增加 1.8 倍)和 MHCII(增加 1.6 倍)的表达显著增加(图 4B)。). Second, the relative increase in iNOS expression in TAMs of mice treated with the IFN-γ backpack therapy was significantly higher than in TAMs of mice treated with macrophages polarized ex vivo (1.8- versus 1.0-fold, respectively) (ii). Third, the relative increase in CD80 expression in TAMs of mice treated with the IFN-γ backpack therapy was significantly higher than in TAMs of mice treated with macrophages plus free IFN-γ (1.03- versus 0.78-fold, respectively) (iii).
其次,与体外极化的巨噬细胞治疗相比,接受 IFN-γ背包装疗法的小鼠 TAMs 中 iNOS 表达的相对增加显著更高(分别为 1.8 倍与 1.0 倍)(ii)。第三,与接受巨噬细胞联合自由 IFN-γ治疗的小鼠 TAMs 相比,IFN-γ背包装疗法处理的小鼠 TAMs 中 CD80 表达的相对增加显著更高(分别为 1.03 倍与 0.78 倍)(iii)。
我们还研究了 TAMs 中 M2 标记物的相对表达情况。结果发现,接受 IFN-γ背包疗法的小鼠 TAMs 中 HIF-1α的相对表达量显著低于其他所有组别(图 4B)。). This finding was particularly interesting, as relative HIF-1α expression in macrophages displaying IFN-γ backpacks was higher in vitro (Fig. 3BOpens in image viewer
). 这一发现尤为有趣,因为展示 IFN-γ背包的巨噬细胞在体外表现出相对较高的 HIF-1α表达(图 3B)。). TAM expression of CD206 was also significantly lower for mice treated with IFN-γ backpacks than saline. However, the group that displayed the lowest relative expression of CD206 in TAMs was in mice treated with macrophages plus free IFN-γ. No significant differences were observed in the relative expression of Arg-1. Overall, these data show that macrophages carrying IFN-γ backpacks can shift the polarization TAMs toward M1 phenotypes at a markedly reduced dose, 100-fold lower than the MTD (48). In addition, the same dose of free IFN-γ was not able to potentiate a shift in TAM polarization. Given this these findings, we sought to examine the therapeutic efficacy of macrophages with IFN-γ backpacks.
TAM 中 CD206 的表达在经 IFN-γ背包处理的小鼠中显著低于生理盐水组。然而,TAM 中 CD206 相对表达最低的组别为接受巨噬细胞加游离 IFN-γ治疗的小鼠。Arg-1 的相对表达未见显著差异。总体而言,这些数据表明,携带 IFN-γ背包的巨噬细胞能够在显著降低的剂量下,将 TAM 极化向 M1 表型转变,其剂量仅为最大耐受剂量(MTD)的百分之一(48)。此外,相同剂量的游离 IFN-γ未能促进 TAM 极化的转变。基于这些发现,我们进一步探究了携带 IFN-γ背包的巨噬细胞的治疗效果。
Antitumor efficacy of macrophages carrying IFN-γ backpacks
携带 IFN-γ“背包”巨噬细胞的抗肿瘤疗效
为评估 IFN-γ背包的治疗效果,我们研究了携带 4T1-Luc 细胞的免疫健全 BALB/c 小鼠的转移灶形成、肿瘤生长动力学及总体生存情况。选择 4T1-Luc 细胞因其高表达荧光素酶,可通过 IVIS 系统利用生物发光成像技术观察胸腔内转移灶的形成情况。我们采用与之前相同的低剂量 IFN-γ,以探究 IFN-γ背包的影响。当肿瘤可触及(约 50 mm 3 )后,小鼠接受两次等量注射(间隔 5 天),分别为:(i) 生理盐水,(ii) 未极化巨噬细胞加 50 ng 游离 IFN-γ,以及(iii) 携带 IFN-γ背包(封装 50 ng IFN-γ)的巨噬细胞。
我们发现,接受 IFN-γ背包疗法的小鼠比对照组小鼠的转移性结节显著减少(图 5A)。). Chest cavities of mice given the IFN-γ backpack therapy showed 5.2-fold lower radiance compared with that of mice treated with saline and 4.9-fold lower radiance compared with that of mice treated with macrophages and free IFN-γ (Fig. 5BOpens in image viewer
). 接受 IFN-γ背包疗法的小鼠胸腔辐射度比接受生理盐水处理的小鼠低 5.2 倍,比接受巨噬细胞联合游离 IFN-γ处理的小鼠低 4.9 倍(图 5B)。). This suggests that, even at a low dose, IFN-γ backpacks are able to significantly inhibit the formation of metastatic colonies. To assess toxicity, peripheral blood was isolated via cardiac puncture immediately after euthanasia, and serum was analyzed for cytokines (see Methods in the Supplementary Materials). Analysis revealed that all treatments were well tolerated, and IFN-γ levels were below the limit of detection in all groups. This result was expected given that the dose of IFN-γ was 100-fold lower than the MTD used previously (48). One exception was that significantly higher IL-6 was found in the serum of mice treated with macrophages plus free IFN-γ (see fig. S9). Increased expression of IL-6 has been correlated with tumor metastasis (50); however, IL-6 is also secreted by macrophages with anti-inflammatory phenotypes (51).
这表明,即便在低剂量下,IFN-γ背包也能显著抑制转移性集落的形成。为评估毒性,实验在安乐死后立即通过心脏穿刺采集外周血,并分析血清中的细胞因子水平(详见补充材料中的方法部分)。分析结果显示,所有治疗均耐受良好,各组中 IFN-γ水平均低于检测限。鉴于所用 IFN-γ剂量比先前使用的最大耐受剂量(MTD)低 100 倍(48),这一结果在预期之中。唯一的例外是,接受巨噬细胞联合游离 IFN-γ治疗的鼠血清中 IL-6 水平显著升高(见图 S9)。IL-6 表达增加与肿瘤转移相关(50),但具有抗炎表型的巨噬细胞也会分泌 IL-6(51)。
我们还评估了肿瘤形态和树突状细胞的浸润情况。在这两项分析中,均采用了携带 4T1 乳腺癌的 BALB/c 小鼠的肿瘤样本(来自前述研究;图 4B)。) were isolated and cut into four vertical portions. One portion was sectioned for histology, and the remaining three portions were digested and stained for phenotypic evaluation by flow cytometry. The top half of the tumor revealed large areas of digested tissue, whereas the bottom half remained largely intact (Fig. 5COpens in image viewer
)被分离并切成四个垂直部分。其中一部分用于组织学切片,其余三部分则被消化并染色,通过流式细胞术进行表型评估。肿瘤的上半部分显示出大面积的消化组织,而下半部分则基本保持完整(图 5C)。). This finding suggests that the areas of highest tumor clearance occurred in regions where the injected cells resided, as all treatments were injected toward the top each tumor. We found that mice treated with the IFN-γ backpack therapy had significantly higher infiltration of CD11c+ dendritic cells (Fig. 5DOpens in image viewer
这一发现表明,肿瘤清除率最高的区域是注射细胞所在的部位,因为所有治疗都向每个肿瘤的顶部注射。我们发现,接受 IFN-γ背包疗法的小鼠,其 CD11c 阳性树突状细胞的浸润显著增加(图 5D)。), as determined by the gating schema shown in fig. S8A (see the Supplementary Materials). While not studied here, we believe this could be a promising future direction of study, as higher dendritic cell populations could be used to instruct adaptive immunity as a cancer vaccine (52, 53).
), 如附图 S8A 的门控方案所确定(见补充材料)。尽管本文未对此进行研究,但我们认为这可能是一个有前景的未来研究方向,因为更高的树突状细胞群体可用于作为癌症疫苗来指导适应性免疫(52, 53)。
最后,我们评估了接受 IFN-γ背包疗法的小鼠的肿瘤生长进程及总体生存情况(图 5,E 至 G)。). Consistent with the metastasis data, mice injected with the IFN-γ backpack therapy showed significantly smaller tumors than the two controls 14 to 23 days after the second therapeutic injection. By 37 days after inoculation, tumors of mice receiving the IFN-γ backpack therapy were 51.9 and 48.3% smaller than those of mice receiving injections of saline and macrophages with free IFN-γ, respectively. Mice receiving the IFN-γ backpack therapy showed significantly improved survival, as determined by a log-rank test. The average time of survival for mice treated with saline, macrophages with free IFN-γ, and macrophages carrying IFN-γ backpacks was 30.7, 31.7, and 35.9 days after inoculation, respectively. Together, the slowed tumor growth, smaller tumor volumes, and decrease in serum IL-6 of mice treated with the IFN-γ backpack therapy likely potentiated the reduced metastatic burdens and improved overall survival compared with controls.
与转移数据一致的是,接受 IFN-γ背包疗法注射的小鼠在第二次治疗注射后的 14 至 23 天内,肿瘤显著小于两组对照组。在接种后 37 天时,接受 IFN-γ背包疗法的小鼠肿瘤体积比接受生理盐水注射和携带游离 IFN-γ的巨噬细胞注射的小鼠分别小 51.9%和 48.3%。通过 log-rank 检验发现,接受 IFN-γ背包疗法的小鼠生存率显著提高。注射生理盐水、携带游离 IFN-γ的巨噬细胞以及携带 IFN-γ背包的巨噬细胞处理的小鼠,其平均存活时间分别为接种后 30.7 天、31.7 天和 35.9 天。综上所述,接受 IFN-γ背包疗法的小鼠肿瘤生长减缓、肿瘤体积缩小及血清 IL-6 水平降低,这些因素可能共同作用,使其转移负担减轻,整体生存率提高,优于对照组。
DISCUSSION 讨论
总之,我们开发了一种基于颗粒的策略,称为“背包”,能够调控过继转移巨噬细胞的表型。我们证明,IFN-γ背包(i)能牢固附着于巨噬细胞表面,并在数日内避免被吞噬;(ii)展现出良好的封装细胞因子释放动力学,诱导巨噬细胞极化发生强大而持久的转变;(iii)使过继转移的巨噬细胞在实体瘤的免疫抑制环境中仍能维持其表型。背包由可生物降解材料制成,便于制备、长期储存及代谢清除,这些特点均有利于临床转化。此外,注射的巨噬细胞均为异基因来源,将细胞移植的准备时间从数周(如 CAR-T 细胞疗法所需时间)缩短至数小时。
除了验证我们的核心假设外,我们还展示了低剂量的 IFN-γ能够诱导肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)极化方向的转变,并增强对 4T1 三阴性乳腺癌肿瘤的抗肿瘤反应。尽管本文报道的剂量尚未优化,但我们证明了减缓的肿瘤生长抑制了转移的形成,并提高了总体生存率。未来的研究将探索将 IFN-γ最佳装载到背包中的方法及其释放动力学,以提升对实体瘤的治疗效果。此外,未来的工作还可以将背包与辅助疗法结合,以增强治疗效果。
总体而言,本研究提供了一种调控过继转移巨噬细胞表型的策略,可用于解决包括癌症、自身免疫性疾病和传染病在内的广泛炎症性疾病。虽然此处描述的背包能与巨噬细胞表面结合,但也可以设计出附着于其他具有更高趋化敏感性的循环细胞上的方案(17, 18, 55)。此外,还可考虑多种免疫调节有效载荷,包括那些能促进基于背包的疫苗引发的适应性免疫反应(52),或促进抗炎表型以辅助组织再生或修复自身免疫性疾病(56, 57)。
MATERIALS AND METHODS 材料与方法
Materials 材料
4T1 乳腺癌细胞和表达萤火虫荧光素酶的 4T1-Fluc-Neo/eGFP-Puro 细胞分别从美国菌种保藏中心和 Imanis 生命科学公司获得。RPMI 1640 培养基、Dulbecco 改良 Eagle 培养基(DMEM)F12 培养基、胎牛血清(FBS)、青霉素和链霉素(Pen Strep)、小鼠 IFN-γ重组蛋白、Gibco I 型胶原酶、SYTOX 蓝死细胞染色剂、NucBlue 染色剂、香豆素 6 膜染料、肝素包被血浆制备管以及 UltraComp eBeads 补偿珠均购自赛默飞世尔科技公司。用于制作背包的材料,包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯亚胺(PAH)、透明质酸(HA)、聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)和三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷(FDTS),均购自 Millipore Sigma。红细胞裂解缓冲液 Hybri-Max、台阶蓝、DNA 酶 I、胰蛋白酶及所有溶剂均购自 Millipore Sigma。细胞培养瓶、板和锥形管购自康宁公司。小鼠辅助性 T 细胞类型 1(T H 1)/T H 2/T H 17 细胞因子定量试剂盒、细胞固定/通透试剂盒以及 40 和 70 微米细胞筛网均购自 BD 生物科学公司。 QuadroMACS 分离器、CD45 + 白细胞分离试剂盒以及小鼠肿瘤组织解离试剂盒均购自 Miltenyi Biotec 公司。Bambanker 细胞冷冻保存液和 OCT(最佳切割温度)复合物由 VWR International 提供。重组小鼠巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)购自 PeproTech 公司。小鼠 IFN-γ酶联免疫吸附测定(ELISA)试剂盒由 R&D Systems 提供。雌性 BALB/c 小鼠(6 至 8 周龄)来自 Charles River 公司。抗体及其相关克隆和荧光染料的详细信息见补充材料(表 S1)。
PDMS template preparation
PDMS 模板制备
通过软光刻技术制备了 PDMS 模板,采用的方法与先前所述类似(16)。使用前,通过单片光刻技术制作硅模具,并用气相沉积法在其表面覆盖一层薄薄的 FDTS 进行钝化处理(详见补充材料中的方法)。按照 10:1 的重量比,将来自 Sylgard 184 套件的 PDMS 基础材料与交联剂充分混合,并分别倒入装有硅模具的培养皿中(每模具约 20 克)。在 25°C 下,将 PDMS 置于干燥器中脱气,直至无可见气泡残留。随后,将培养皿放入 65°C 的烘箱中过夜以固化 PDMS。固化完成后,通过切割培养皿并剥离 PDMS,将其从模具中取出。
Cell-adhesive coating 细胞粘附涂层
HA(2500 kDa)通过醛基修饰(HA-Ald)(详见补充材料中的方法)。制备了 HA-Ald 的水溶液(2 mg/ml),溶于 150 mM NaCl(pH 6.8),同时制备了 PAH 的水溶液(2 mg/ml;17.5 kDa),同样溶于 150 mM NaCl(pH 6.8)。将 HA-Ald、PAH 及 150 mM NaCl(pH 6.8)溶液分别倒入称量皿中。PDMS 模板用异丙醇冲洗后,通过稳定的气流干燥。随后,将模板图案面朝下浸入 HA-Ald 溶液中 15 分钟,确保模板浮起以最大化图案化 PDMS 与溶液的接触。之后,模板转移至 NaCl 溶液中浸泡 2 分钟,再用去离子(DI)水冲洗以去除游离的 HA-Ald。模板按相同方式转移至 PAH 溶液中浸泡 15 分钟,然后移至装有 NaCl 溶液的新称量皿中浸泡 2 分钟。模板用 DI 水冲洗,整个过程再重复一次,形成 HA-Ald/PAH/HA-Ald/PAH 的层层涂层(LBL coating)。涂层后的模板用 DI 水冲洗 30 秒,并通过气流干燥。模板存放在培养皿中,图案面朝上,置于 4°C 环境下。
Backpack fabrication 背包制作
制备了 8%(w/v)的 PLGA 丙酮溶液,采用非荧光 PLGA(7 至 17 kDa;Resomer 502 H)与荧光 PLGA(10 至 30 kDa;LG 50:50 罗丹明 B;PolySciTech)按 100:1 重量比混合。将带有 LBL 涂层的 PDMS 模板切割成四等份,每份以 225 μl 的 PLGA 溶液在 2000 rpm 转速下旋转涂布 20 秒(以 200 rpm/s 的速率加速)。随后,各象限用氧气等离子体处理 60 秒。配制了 0.5 重量%的 PVA(146 至 186 kDa,99%以上水解)磷酸盐缓冲液(PBS)溶液,并加入 IFN-γ(25 μg/ml)。等离子处理后,立即用移液器将 100 μl 的 PVA 溶液均匀涂抹在每个象限上。随后,将象限放入装有 Drierite 干燥剂(W.A. Hammond Drierite Co.)的干燥器中,在真空条件下干燥,形成厚度为 0.6 微米的 PVA 薄膜。第二层 PLGA 的沉积采用与第一层相同的步骤进行。
Microcontact printing 微接触印刷
PVA 涂层培养皿的制备方法是将 PVA(分子量 13 至 23 kDa,87%水解)溶于去离子水中,配制成 3%(重量/体积)的溶液。该溶液在 80°C 下搅拌数小时,并通过 0.22 微米滤器过滤掉多余的晶体。将 2.5 毫升溶液涂覆在无菌培养皿上,然后置于 60°至 75°C 的烤箱中直至干燥。背包通过类似于先前描述的技术进行打印(14)。简而言之,将烧杯装满去离子水并加热至 65°C。将 PVA 涂层培养皿的涂层面保持在烧杯上方约 2 厘米处,持续 6 至 12 秒。立即将含有背包的 PDMS 象限压在加热的 PVA 培养皿上,并施加恒定的压力 15 至 20 秒。然后剥离象限,使培养皿上留下背包涂层。重复此过程直至材料完全转移。背包随后储存于-80°C 备用。为收获背包,将 2.5 毫升 PBS 覆盖在培养皿上并轻轻冲洗。重复此操作直至表面基本清洁(通常两次)。收集溶液,通过 40 微米细胞筛网过滤,并在 2500g 下离心 5 分钟。背包在 5 毫升 BMM-中重新悬浮。500 毫升 DMEM F12、50 毫升 FBS、5 毫升青链霉素和 25 毫升 200 mM GlutaMAX,或无血清的 BMM−(即不含 FBS 的 BMM−),视应用而定。
Bone marrow isolation 骨髓分离
祖细胞通过先前描述的方法从鼠骨髓中分离出来(58)。简而言之,对 6 至 8 周龄的 BALB/c 小鼠进行 CO 2 吸入安乐死。使用无菌手术剪刀提取胫骨、股骨和肱骨。分离的骨骼浸泡于 70%乙醇中,用 PBS 冲洗,然后转移至另一份 PBS 溶液。在无菌环境下,切开每根骨头的骨骺,通过 31 号针头的注射器将骨骼用 PBS 冲洗入 50 毫升收集管中。溶液充分混合后,通过 40 微米细胞滤网过滤,并在 4°C 下以 400g 离心 10 分钟。细胞重悬于 Bambanker 中(每只小鼠等效 2 毫升;Lymphotec 公司),并储存于-80°C 的冷冻管中,直至需要时使用。
BMDM culture 骨髓来源的巨噬细胞培养
BMDMs(骨髓来源巨噬细胞)按照先前描述的方法(9)从鼠骨髓祖细胞中培养。简言之,冷冻的骨髓被解冻并与 4°C 的 BMM−以 1:5 的体积比混合。混合液经过离心,去除上清液,细胞在 BMM+(即含 M-CSF 20 ng/ml 的 BMM−)中重悬,并使用血细胞计数器进行计数。大约 4 × 10 6 个骨髓细胞被加入到未经组织培养(TC)处理的 T175 烧瓶中,其中含有 25 ml 的 BMM+。细胞在标准培养条件下孵育。在第 3 天和第 7 天,分别向烧瓶中加入额外的 BMM+(25 ml)。第 8 天,移除培养基,细胞用 10 ml PBS 洗涤一次。为使细胞脱离烧瓶,吸去 PBS 后,加入 10 ml 4°C 的 Accumax(创新细胞技术公司)。细胞在 37°C 下与 Accumax 孵育 10 分钟。随后,烧瓶从培养箱中取出,用力拍打数次。再向烧瓶中加入 10 ml Accumax,细胞继续孵育 10 分钟并再次拍打。BMDMs 悬液被转移至 50 ml 的锥形管中,加入等体积的 BMM−后离心。 上清液被吸出并替换为 BMM+。BMDMs 计数后,以每孔 2.5 × 10¹个细胞的浓度铺于未经 TC 处理的 12 孔板上,每孔体积为 1 毫升,在标准条件下孵育 24 小时。所有离心步骤均在 4°C 下以 400g 的转速进行 10 分钟。
Binding backpacks to BMDMs
将背包装载到骨髓来源的巨噬细胞上
背包被采集并在 4°C 下以 2500g 离心 5 分钟,随后在无血清的 BMM−中重新悬浮。同时,在 12 孔板中培养 24 小时的 BMDMs 从培养箱中取出,并通过连续稀释技术将 BMM+替换为无血清的 BMM−(参见补充材料中的方法)。使用血细胞计数器对背包进行计数,并向每个 12 孔板的每孔中加入 0.375 × 10 5 个背包(形成背包与细胞 3:2 的比例)。随后,将板以 300g 离心 7.5 分钟,使背包聚集在板的底部。接着,将板放入细胞培养箱中 1.5 小时,以便 BMDMs 与背包结合。1.5 小时后,通过连续稀释法将无血清的 BMM−替换为 BMM−。然后,根据研究需要,将板在标准培养条件(常氧;74% N 2 ,5% CO 2 ,21% O 2 )或低氧条件(94% N 2 ,5% CO 2 ,1% O 2 )下培养(参见补充材料中的方法)。在板存放在低氧箱的情况下,从每孔中替换 100 μl 的 BMM−为 100 μl 的肿瘤条件培养基,该培养基来自与 4T1 细胞共培养。 作为替代,有时会在适当的孔中加入浓度为 16 纳克/毫升的游离 IFN-γ。
Phenotyping in vitro cultures of BMDMs
骨髓来源巨噬细胞体外培养的表型分析
通过连续稀释法,将 12 孔板中各孔的培养基替换为汉克平衡盐溶液(HBSS)。随后,从每个孔中吸取 500 μl 的 HBSS,并加入 2 ml 的 Accumax。将板在 37°C 和 5% CO2 条件下孵育 10 至 15 分钟。之后轻敲板子以释放 BMDMs,并将各组分别收集到装有等量 BMM−的 50 ml 离心管中。细胞经过离心后,将沉淀物重新悬浮于 1 ml 的染色缓冲液中,该缓冲液由不含 Mg2+或 Ca2+的 PBS(pH 7.4 至 7.6)中的 1% FBS 组成。将细胞转移至 1.5 ml 的 Eppendorf 管中,再次离心。沉淀物在 99 μl 的染色缓冲液中重新悬浮,并加入 1 μl 的 Fc 阻断剂,在 4°C 下孵育 15 分钟。孵育后,样品用 1 ml 的染色缓冲液稀释,离心后重新悬浮于 1 ml 的染色缓冲液中。每个样品随后分为两组,每组 500 μl,分别用于表面标记染色和细胞内染色。对于表面染色,样品离心后在 4°C 的暗处重新悬浮于抗 CD80、抗 MHCII、抗 VEGF 和染色缓冲液(按厂家建议的浓度)的混合抗体中。 30 分钟后,细胞用 1 毫升染色缓冲液洗涤,离心,重悬于 300 微升中,并在 4°C 避光保存直至使用。对于胞内染色,样品按照制造商(BD Biosciences)的说明进行固定和通透处理。细胞离心后,在 25°C 避光条件下重悬于 100 微升抗体溶液中,该溶液包含抗 iNOS、抗 HIF-1α、抗 CD206 以及 Perm/Wash 缓冲液(浓度按制造商建议)。30 分钟后,细胞用 1 毫升 Perm/Wash 缓冲液稀释,离心,重悬于 300 微升染色缓冲液中,并在 4°C 避光保存直至使用。所有离心步骤均在 4°C 下以 350g 进行 5 分钟。补偿和电压设置在实验前一天通过分别用一种抗体染色的补偿珠组确定。每个样品最多收集 10,000 个事件。数据使用 FCS Express 6 软件(De Novo Software)进行分析。
Tumor model establishment
肿瘤模型建立
动物实验按照哈佛大学机构动物护理和使用委员会批准的协议进行。在小鼠中使用了两种原位乳腺癌模型,分别为 4T1 和表达萤火虫荧光素酶的 4T1-Fluc-Neo/eGFP-Puro 细胞(4T1-Luc)。4T1 细胞在含 10%胎牛血清(FBS)和 1%青霉素-链霉素的 DMEM 中培养。4T1-Luc 细胞则在含 10% FBS、1%青霉素-链霉素及 G418(0.1 mg/ml)的 RPMI 1640 培养基中培养。两种细胞系均在 37°C、5% CO₂的湿润培养箱中培养,并在接种前传代两次。细胞通过胰蛋白酶消化释放,离心后重悬于生理盐水中。BALB/c 小鼠(42 至 56 日龄)通过 25 号针头皮下注射接种 1 × 10⁵个 4T1 细胞或 1 × 10⁶个 4T1-Luc 细胞(细胞存活率>98%)至左下腹股沟乳腺脂肪垫。接种后的小鼠在治疗前随机分组,并在研究期间监测肿瘤生长及体重变化。 每只小鼠模型接受两次治疗,分别在 4T1 模型中接种后 14 天(肿瘤体积约为 100 mm³)和 4T1-Luc 模型中接种后 9 天(肿瘤体积约为 50 mm³)开始。肿瘤体积通过公式计算:V = ½ L × W²,其中 L 和 W 分别为肿瘤的最长和最短尺寸。携带 4T1 肿瘤的小鼠用于肿瘤免疫细胞表型分析。若肿瘤最长尺寸超过 15 毫米或体重减轻超过 15%,则对这些小鼠实施安乐死。4T1-Luc 模型中的小鼠则纳入生存研究,直至因肿瘤负担死亡或因病情恶化通过 CO 安乐死。
Intratumoral injections 肿瘤内注射
小鼠接受了两次瘤内治疗注射,分别在 4T1 模型中接种后第 14 天和第 18 天进行,以及在 4T1-Luc 模型中接种后第 9 天和第 14 天进行。每剂 IFN-γ剂量限制在 50 纳克(59)。需要注射巨噬细胞的小鼠每次接受相同数量的细胞(即每只小鼠每次注射 0.78 × 10^6 个巨噬细胞)。这些数量是根据输送 50 纳克 IFN-γ背包所需的巨噬细胞数量确定的。确定依据包括 ELISA 数据显示每个背包约含 85 皮克 IFN-γ,以及流式细胞术显示在 1.5 小时孵育后,≥75%的巨噬细胞被标记有≥1 个背包。所有组别(即生理盐水组、游离 IFN-γ组或含巨噬细胞组)的注射体积均为 10 微升。
In vivo tracking of adoptively transferred macrophages
体内追踪经适应性转移的巨噬细胞
接种了 4T1 细胞的小鼠接受了用近红外染料(VivoTrack 680,PerkinElmer)标记的巨噬细胞治疗。从肿瘤接种前 7 天至研究结束,小鼠被喂食不含苜蓿的饮食以降低背景荧光水平(Picco Rodent 5V5R 50IF 辐照颗粒饲料,Scott Pharma Solutions)。成像前,使用局部制剂(Nair,Church & Dwight)去除肿瘤上方及附近的毛发。小鼠在麻醉状态下(使用异氟烷)每天通过 IVIS 成像,从首次治疗开始共进行 5 天。
In vivo monitoring of lung metastases
体内监测肺转移
32 天后,通过接种 4T1-Luc 评估肺转移情况。小鼠经腹腔注射 150 微升的 XenoLight D-Luciferin 钾盐生物发光底物(30 毫克/毫升)(PerkinElmer),溶于生理盐水中。注射后 15 分钟,在异氟烷麻醉下对小鼠进行 IVIS 成像。为避免主肿瘤信号溢出——主肿瘤比胸腔内的转移灶更亮,主肿瘤部位覆盖了黑色纸条。
Phenotyping tumor-associated immune cells
肿瘤相关免疫细胞的表型分析
从肿瘤相关免疫细胞的分离和染色步骤与先前描述的方法类似(30)。简而言之,在第二次治疗后 2 天,通过 CO₂吸入对小鼠实施安乐死。采集来源于 4T1 细胞的原发性肿瘤,将其切成小块(厚度<5 mm),并使用 gentleMACS 分离器(Miltenyi Biotec)配合小鼠肿瘤组织解离试剂盒进行酶解。细胞经离心后,重悬于补充有 DNA 酶 I(50 U/ml)的 ACK 红细胞裂解缓冲液中处理 5 分钟,再次离心后,用 PBS 重悬以计数剩余的完整细胞。通过 CD45 分离试剂盒,根据制造商(Miltenyi Biotec)的说明,从普通细胞群体中分离出白细胞。在本研究的其余部分中,每只动物使用 1×10⁶个细胞,所有步骤均在补充有必需附加试剂的 100 μl 荧光激活细胞分选(FACS)缓冲液(含 3%胎牛血清的 PBS)中进行。细胞在含有 5%大鼠血清、5%小鼠血清和 1%抗小鼠 CD16/32 抗体的溶液中封闭 30 分钟。随后,细胞用测试抗体和对照抗体进行染色(详见图表)。 S8 和表 S1)在 25°C 下处理 30 分钟,在暗室中冰上处理 20 分钟。随后,细胞用冰冷的 FACS 缓冲液洗涤两次,并重悬于 500 μl PBS 中。按照制造商的说明,使用 SYTOX 蓝染色以在所有处理步骤结束后检测细胞活力。染色后的细胞通过流式细胞仪(BD LSRII)进行分析。补偿和电压设置在实验前一天通过使用分别标记有一种抗体的补偿微球来确定。每个样本最多收集 100,000 个事件。数据使用 FCS Express 6 软件进行分析。所有离心步骤均在 350g 下进行 5 分钟。
Statistical analysis
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