EVs: A New Immunotherapy for Targeted Cancer Treatment

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Summary:

Cancer therapy faces challenges like lack of specificity and drug resistance. Adoptive cell therapy (ACT) utilizing tumor-infiltrating lymphocytes (TILs), which naturally recognize tumor antigens, offers a personalized approach. Engineered extracellular vesicles (EVs) are being developed for targeted delivery of immune modulators to CD8+ T cells, promoting anti-tumor immunity and converting 'cold' tumors to 'hot' ones. Combination therapies with EVs and immune checkpoint inhibitors show enhanced efficacy. Small molecule immunomodulators also hold promise for overcoming limitations of antibody-based therapies by targeting innate immunity and improving tumor microenvironment penetration. These approaches aim to enhance and personalize cancer immunotherapy.

Outline:

• Adoptive Cell Therapy (ACT) and Tumor-Infiltrating Lymphocytes (TILs)

  • TILs: Naturally occurring lymphocytes in tumors with potential for anti-cancer effects.

  • ACT: Harnessing TILs for personalized cancer treatment in diseases like melanoma and NSCLC.

• Engineered Extracellular Vesicles (EVs) for Cancer Therapy

  • EVs: Lipid bilayer particles mediating cell-cell communication and potential drug delivery vehicles.

  • Engineering EVs: Loading or surface modification for targeted drug delivery and immune modulation.

  • Antigen-Presenting EVs (AP-EVs): Expressing pMHC class I, costimulatory molecules, and cytokines (e.g., IL-2) to activate CD8+ T cells.

  • Impact on Tumor Microenvironment: AP-EVs can increase effector T cells and decrease exhausted T cells, converting 'cold' tumors to 'hot'.

  • Overcoming Drug Resistance: Engineered EVs can deliver drugs to bypass resistance mechanisms.

• Immune Modulation in the Tumor Microenvironment

  • Tumor Microenvironment (TME): Complex ecosystem influencing immune responses.

  • Mechanisms of Immune Suppression: Factors in the TME that inhibit anti-tumor immunity.

  • Immune Modulators: Agents that can alter the immune response within the TME.

  • Small Molecule Immunomodulators: Potential to overcome limitations of antibodies, target innate immunity, and penetrate the TME.

  • Combination Therapies: Synergistic effects of combining EV-based therapies or small molecule modulators with existing immunotherapies like anti-PD-1.

摘要

癌症治療面臨著缺乏特異性和藥物耐藥性等挑戰。采用腫瘤浸潤淋巴細胞(TILs)的細胞收養療法(ACT)，能夠自然識別腫瘤抗原，提供了一種個性化的治療方法。**工程化細胞外囊泡(EVs)**正在開發中，用於向CD8+ T細胞靶向傳遞免疫調節劑，促進抗腫瘤免疫並將「冷」腫瘤轉變為「熱」腫瘤。EVs與免疫檢查點抑制劑的聯合療法顯示出增強的療效。小分子免疫調節劑也有望克服基於抗體療法的局限性，通過靶向先天免疫力並改善腫瘤微環境的滲透。這些方法旨在增強和個性化癌症免疫療法。

1. 細胞收養療法(ACT)與腫瘤浸潤淋巴細胞(TILs)

1.1 腫瘤浸潤淋巴細胞簡介

腫瘤浸潤淋巴細胞(TILs)是自然存在於腫瘤中的免疫細胞，具有強大的抗癌潛力。這些特殊的淋巴細胞已經突破了腫瘤的物理屏障，並且通常已經被「訓練」識別腫瘤特異性抗原。TILs主要包括CD4+和CD8+ T細胞，其中CD8+ T細胞尤為重要，因為它們能夠直接殺死表達特定抗原的癌細胞。

TILs的存在和數量在不同癌症類型中有顯著差異，並且與患者的預後密切相關。例如，在黑色素瘤、乳腺癌和結直腸癌中，高水平的TILs通常與更好的臨床結果相關聯。然而，儘管TILs具有天然的抗腫瘤能力，它們在腫瘤微環境中經常被抑制或「耗竭」，無法發揮其完全的抗癌功能。

1.2 細胞收養療法的原理與應用

細胞收養療法(ACT)是一種創新的癌症治療策略，利用患者自身的免疫細胞來對抗癌症。在TIL療法中，科學家從患者的腫瘤樣本中分離出TILs，在實驗室中擴增並激活這些細胞，然後將大量的活性TILs回輸給患者。

ACT的核心優勢在於其高度個性化的特性。由於使用的是患者自身的免疫細胞，這些細胞已經能夠識別該特定患者腫瘤上的特異性抗原，從而提供了一種「量身定制」的治療方法。

在黑色素瘤治療中，TIL療法已經顯示出令人印象深刻的結果，包括對晚期疾病的持久緩解。此外，研究表明TIL療法在非小細胞肺癌(NSCLC)、宮頸癌和卵巢癌等其他實體腫瘤中也有潛在應用。

1.3 TIL療法的挑戰與未來方向

儘管TIL療法潛力巨大，但它也面臨著多項挑戰：

1. 製備複雜性：TIL療法需要專業的實驗室設施和技術來處理和擴增細胞，限制了其廣泛應用。

2. 時間因素：從腫瘤取樣到治療準備完成可能需要數週時間，對於疾病進展迅速的患者可能不適用。

3. TIL質量：並非所有患者的腫瘤都能提供足夠數量或質量的TILs進行擴增。

4. 腫瘤耐藥性：即使是經過擴增的TILs，也可能在重新注入體內後遇到腫瘤微環境的免疫抑制。

為了克服這些挑戰，研究者正在探索多種改進方法，包括基因編輯技術來增強TILs的功能，開發更快速的細胞擴增方案，以及將TIL療法與其他免疫療法（如免疫檢查點抑制劑）結合使用。

2. 工程化細胞外囊泡(EVs)在癌症治療中的應用

2.1 細胞外囊泡的生物學基礎

細胞外囊泡(EVs)是由細胞分泌的脂質雙層小顆粒，直徑通常在30-1000 nm之間。這些微小的「信使」在細胞間通訊中扮演著關鍵角色，攜帶蛋白質、脂質、RNA和DNA等多種生物分子。EVs主要分為三類：外泌體(exosomes)、微泡(microvesicles)和凋亡小體(apoptotic bodies)，其中外泌體在生物醫學研究中受到最廣泛關注。

EVs具有多種天然特性使其成為理想的藥物傳遞載體：

• 生物相容性：由於源自細胞自身，EVs通常不會引起強烈的免疫反應。

• 生物屏障穿透能力：EVs能有效穿透各種生物屏障，包括一定程度的血腦屏障。

• 細胞靶向性：特定來源的EVs可能具有對特定細胞類型的自然親和力。

• 保護性質：EVs能保護其內容物免受降解，增加藥物的穩定性和半衰期。

2.2 EVs的工程化策略

科學家已開發多種策略來工程化EVs用於癌症治療：

2.2.1 載荷裝載方法

• 內源性裝載：通過基因工程修飾EVs的源細胞，使其產生攜帶特定治療分子的EVs。

• 外源性裝載：在EVs分離後通過物理或化學方法將藥物導入，如電穿孔、超聲波處理或凍融循環。

2.2.2 表面修飾

• 靶向配體：在EVs表面添加抗體、肽或其他分子，增強其對特定腫瘤或免疫細胞的靶向能力。

• 免疫調節分子：修飾EVs表面以表達免疫刺激分子，增強抗腫瘤免疫反應。

2.3 抗原呈遞EVs(AP-EVs)

抗原呈遞EVs代表了一種特別創新的工程化EVs類型，專門設計用於激活和增強抗腫瘤T細胞反應。這些EVs被工程化表達三種關鍵組件：

1. 肽-主要組織相容性複合體(pMHC)I類：用於呈現腫瘤特異性抗原，直接被CD8+ T細胞識別。

2. 共刺激分子：如CD80和CD86，提供T細胞激活所需的第二信號。

3. 細胞因子：特別是IL-2，能促進T細胞增殖和生存。

這種「三合一」設計模擬了專業抗原呈遞細胞的功能，但具有更高的靶向性和更低的全身副作用。

2.4 AP-EVs對腫瘤微環境的影響

臨床前研究顯示，AP-EVs能夠顯著改變腫瘤微環境的免疫學狀態：

1. 增加效應T細胞：AP-EVs促進產生IFN-γ的活化CD8+ T細胞增殖。

2. 減少耗竭T細胞：AP-EVs治療降低了表達PD-1和其他耗竭標記的T細胞比例。

3. 「冷」到「熱」腫瘤轉換：AP-EVs能將免疫反應低下的「冷」腫瘤轉變為充滿活躍免疫細胞的「熱」腫瘤。

這種腫瘤微環境的重塑對於許多實體腫瘤的治療至關重要，因為「冷」腫瘤通常對現有的免疫療法反應不佳。

2.5 克服藥物耐藥性

工程化EVs在克服癌症藥物耐藥性方面顯示出獨特的潛力：

1. 繞過排出泵：EVs可能避開癌細胞的藥物排出機制，增加細胞內藥物濃度。

2. 多藥聯合傳遞：EVs可同時傳遞多種藥物或調節劑，增加協同作用，降低耐藥性發展風險。

3. 靶向耐藥機制：EVs可攜帶專門針對耐藥機制的分子，如siRNA或miRNA，直接抑制耐藥相關基因的表達。

研究表明，將EVs基礎療法與現有免疫療法（如抗PD-1/PD-L1抗體）結合使用時，可產生協同抗腫瘤效應，克服單一治療的耐藥性。

3. 腫瘤微環境中的免疫調節

3.1 腫瘤微環境的複雜生態系統

腫瘤微環境(TME)是圍繞腫瘤的複雜生態系統，包括癌細胞、免疫細胞、纖維母細胞、內皮細胞以及細胞外基質和各種可溶性因子。TME不僅是腫瘤生長和轉移的關鍵決定因素，也是免疫抑制和治療耐藥性的主要來源。

TME的關鍵特徵包括：

• 缺氧：腫瘤中心區域通常氧氣供應不足，促進特定基因表達和耐藥性。

• 酸性微環境：腫瘤代謝產生的乳酸降低局部pH值，抑制T細胞功能。

• 異常血管網絡：腫瘤血管不規則且滲漏，影響藥物傳遞和免疫細胞滲透。

• 免疫細胞構成：不同類型免疫細胞的比例和功能狀態決定了腫瘤的免疫反應性。

3.2 免疫抑制機制

TME中存在多種免疫抑制機制，共同防止有效的抗腫瘤免疫反應：

1. 免疫檢查點通路：如PD-1/PD-L1和CTLA-4通路，抑制T細胞活化和功能。

2. 抑制性免疫細胞：如調節性T細胞(Tregs)和髓源性抑制細胞(MDSCs)，分泌抑制性細胞因子並直接抑制效應T細胞。

3. 代謝抑制：腫瘤細胞競爭關鍵營養物質如葡萄糖，同時產生抑制T細胞功能的代謝產物。

4. 抑制性細胞因子：如TGF-β和IL-10，創造免疫抑制微環境。

5. 抗原呈遞缺陷：腫瘤細胞可降低MHC分子表達，逃避免疫識別。

3.3 免疫調節劑的作用機制

免疫調節劑是能夠調節免疫系統功能的化合物，在癌症治療中發揮關鍵作用：

1. 免疫檢查點抑制劑：阻斷PD-1/PD-L1或CTLA-4等抑制性通路，解除T細胞抑制。

2. 共刺激激動劑：增強T細胞激活信號，如OX40、4-1BB和CD27激動劑。

3. 細胞因子調節劑：修飾TME中細胞因子濃度或信號，如IL-2、IFN-γ或TNF-α調節劑。

4. 代謝調節劑：改變TME的代謝特性，恢復T細胞功能。

3.4 小分子免疫調節劑的優勢

與傳統的抗體基礎免疫療法相比，小分子免疫調節劑具有多項潛在優勢：

1. 組織滲透性：小分子更容易穿透實體腫瘤和血腦屏障，擴大治療範圍。

2. 靶向先天免疫：能夠更有效地調節先天免疫組分，如巨噬細胞和樹突狀細胞。

3. 生產成本：通常比生物製劑更經濟高效。

4. 給藥便捷性：許多小分子藥物可口服給藥，提高患者依從性。

5. 組合靈活性：更容易與其他藥物聯合使用，包括生物製劑。

近年來，多種有前景的小分子免疫調節劑正在開發中，包括IDO抑制劑、STING激動劑、TLR激動劑和腺苷受體拮抗劑等。

3.5 聯合療法策略

聯合療法已成為克服腫瘤異質性和耐藥性的關鍵策略，特別是以下組合顯示出令人鼓舞的臨床前結果：

1. EV與免疫檢查點抑制劑：工程化EVs與抗PD-1/PD-L1抗體聯合使用增強抗腫瘤功效。

2. 小分子調節劑與免疫檢查點抑制劑：如IDO抑制劑與抗PD-1抗體聯合。

3. 靶向療法與免疫療法：特定腫瘤靶向藥物與免疫激活策略結合，提高治療反應率。

4. 代謝調節與免疫療法：調節腫瘤代謝同時啟動免疫反應，雙管齊下對抗腫瘤。

這些聯合策略不僅旨在增強治療效果，還希望擴大反應患者群體，並延長治療響應持續時間。

4. 結論與未來展望

現代癌症免疫療法正經歷快速發展，從細胞收養療法到工程化細胞外囊泡，再到新型小分子免疫調節劑，為癌症患者帶來前所未有的希望。

這些創新方法的共同目標是實現更精確、更個性化、更有效的癌症治療：

1. 增強特異性：通過精準靶向傳遞治療劑，最大限度減少系統副作用。

2. 克服耐藥性：利用多種機制同時攻擊腫瘤，防止耐藥性發展。

3. 重塑腫瘤微環境：從「冷」到「熱」的轉變，使更多腫瘤類型對免疫療法產生反應。

4. 個性化方案：根據患者特定的腫瘤特徵和免疫狀態定制治療策略。

儘管這些前沿技術仍面臨從實驗室到臨床應用的挑戰，包括生產可擴展性、標準化質量控制和監管審批等問題，但它們共同構成了精準癌症免疫療法的美好未來。

隨著我們對腫瘤微環境和腫瘤-免疫相互作用理解的不斷深入，結合工程學、材料科學和免疫學的多學科創新，有望徹底改變癌症治療的未來格局，為患者帶來更有效、更少副作用的治療選擇。