腹膜转移是晚期恶性肿瘤常见的转移类型
[1, 2],预后极差,是患者死亡的主要原因之一
[3, 4]。以胃癌、结直肠癌、胰腺癌代表的多种实体瘤,其晚期腹膜转移发生率可达20%~60%
[5-7]。腹膜转移发生时,肿瘤相关成纤维细胞(CAF)活化并介导细胞外基质异常沉积,形成致密的胶原蛋白纤维包裹,这严重阻碍治疗药物和免疫细胞的有效进入,影响疗效
[8]。
CD4/TGF-β双特异性抗体是国家I类新药,已经进入临床I期研究,在晚期实体瘤患者中展现出良好的安全性和一定的有效性。该抗体特异性结合CD4受体和TGF-β分子,研究表明,其通过激活Th1/Th2型免疫反应,逆转TGF-β的负性调节作用以及重塑肿瘤微环境等机制发挥抗肿瘤作用
[9]。该药的作用机制类似于机体抗寄生虫样反应,可以使肿瘤灶中粗大的I型胶原转化为纤细致密的III型胶原,且胶原纤维深入癌巢内部分割包裹癌细胞,使血管生成和肿瘤生长受到抑制
[9]。从该药的机制出发,如果能反其道而行之,特异性地诱导肿瘤腹膜转移灶周围的胶原进一步增殖并转化包裹肿瘤灶,同时抑制血管新生,或许可以达到有效治疗腹膜转移肿瘤的效果。经检索,国内外尚未见此类研究报道。
2022年我国有近0.88万新发恶性黑色素瘤病例,约0.54万患者死亡
[10],其中,Ⅳ期黑色素瘤患者5年生存率仅为4.6%
[11],而Ⅳ期黑色素瘤患者中,28.6%(1623/5668)会发生腹膜转移
[12]。黑色素瘤腹膜转移发生后,患者5年总生存率显著降低,平均生存期从12.3个月降至1.8个月
[13]。针对黑色素瘤腹膜转移的患者,目前临床尚缺乏行之有效的治疗手段,也缺乏理想的动物模型。
传统的腹膜转移模型主要通过腹腔注射(IP)法构建
[14],其腹壁成瘤成功率较低、造模时间长,且肿瘤细胞在腹膜上定植随机性大,即使同组小鼠间一致性亦很差,更难以进行组间的比较
[14-17]。本团队既往自创了磁力诱导细胞(MagIC)移植技术
[18],成功建立了肿瘤精准骨转移模型等
[19]。基于此,本研究尝试以MagIC法建立黑色素瘤精准腹膜转移模型,并探索CD4/TGF-β双特异性抗体对黑色素瘤腹膜转移的治疗效果及机制。
1 材料和方法
1.1 动物
SPF级C57BL/6J背景的人CD4转基因小鼠(C57BL/6J-hCD4 transgenic mice)
[9]40只,雄性,8~10 周,由深圳迈加瑞生物技术有限公司提供,实验动物使用许可证号:SYXK(粤)2022-0294。所有使用的小鼠都保持在广州华腾生物医药科技有限公司,本研究经南方医科大学实验动物中心批准(伦理批号:IACUC-LAC-20240816-007)。
1.2 主要试剂与仪器
1×PBS缓冲液(pH 7.2~7.4)(Solarbio),戊巴比妥钠(Sigma),D-荧光素钾盐(PerkinElmer),EDTA.2K抗凝剂(10×)(Solarbio), CD4/TGF-β双特异性抗体由深圳迈加瑞生物技术有限公司惠赠,抗荧光淬灭封片液(含DAPI)(beyotim),Collagen Type III (N-terminal) Polyclonal antibody(Proteintech),Alexa Fluor® 647 Donkey anti-rabbit IgG (minimal x-reactivity) Antibody(BioLegend),牛血清白蛋白粉末(YEASEN),0.1% Triton X-100(Sigma),4%多聚甲醛组织固定液(biosharp),QuantStudio
TM 5实时荧光定量PCR系统(Thermo Fisher),Ami HTX小动物活体光学成像系统(Spectral Instruments Imaging),BD FACSCanto
TM Ⅱ Flow Cytometer流式细胞仪和流式细胞抗体(Becton, Dickinson and Company),DX12数字切片扫描系统(3DHISTECH),冷冻切片机(瑞沃德),QuantStudio™5实时荧光定量PCR系统(Thermo Fisher)。磁性纳米机器人
[19]和精准磁场由本团队自制。
1.3 药物安全性试验
将20 只小鼠随机均分为3个不同剂量的实验组和1个对照组(5只/组),实验组分别尾静脉注射CD4/TGF-β双特异性抗体2.5 mg/kg(组1)、5 mg/kg(组2)和10 mg/kg(组3),对照组(Ctrl)给予等量的磷酸缓冲液,给药频率为1次/周,共5次。每周观察小鼠活动度变化,并记录小鼠体质量和体温情况。
1.4 细胞
鼠源皮肤黑色素瘤细胞株B16F10经重组慢病毒载体修饰绿色荧光蛋白(GFP)和荧光素酶(Luciferase)基因后,以流式细胞术筛选阳性细胞,获B16F10-GFP-Luciference(B16F10-GL)。
1.5 细胞磁化
按参考文献[
19] 的方法简述如下:取1×10⁷处于对数生长期的B16F10-GL细胞,用80 μL PBS重悬后,加入磁性纳米机器人,使其终浓度为40 μg/mL,于37 ℃水浴中磁化30 min。随后加入PBS重悬,常规离心去除未结合的磁性纳米机器人,经磁场分选后,获得磁化的B16F10-GL细胞,浓度为1.25×10⁵/μL。
1.6 小鼠模型分组及构建
将20只小鼠随机均分为经典腹腔接种治疗(P4T)组、经典腹腔接种对照(P4U)组、磁力诱导细胞(MagIC)法腹膜接种治疗(M4T)组和MagIC法接种对照(M4U)组,每组5只。每只小鼠分别腹腔注射40 μL共5×106 磁化的B16F10-GL细胞,其中M4T组和M4U组用戊巴比妥钠麻醉(每只小鼠0.2~0.3 mL 0.3 %w/v PBS),在小鼠右侧腹部皮肤外固定一个直径为3 mm的自制精准磁场,使用作者团队自制的腹腔微量注射器(一种微磁场介导的细胞精准接种装置,专利号ZL202321273856.7)进行穿刺,并在磁场对应位置注射细胞,使磁化细胞吸附于壁腹膜的相应位置生长,12 h后去除磁场。造模成功后,治疗组小鼠于第3天开始每周两次腹腔注射CD4/TGF-β双特异性抗体1 mg/kg 300 μL治疗,对照组小鼠同时腹腔注射等量磷酸缓冲液。
1.7 小鼠一般情况
2 d/次观察小鼠一般情况,记录小鼠体质量变化。一般情况包括小鼠腹部肿瘤的大小,小鼠活动度、精神状态和进食情况等。待小鼠出现弓背、脱毛、行动迟缓、体质量明显减轻等体征后处死。
1.8 小动物活体成像检测
于不同时间点进行小动物活体成像检测。戊巴比妥钠麻醉小鼠后,腹腔注射10 mg/mL荧光素钾盐0.1 mL,通过其光子信号强度和分布评估小鼠肿瘤负荷,以稳定监测到肿瘤荧光信号作为造模成功的主要评价指标,其天数作为各组小鼠成瘤时间。对照组小鼠的治疗窗口期=该组小鼠存活期-该组小鼠成瘤时间(
表1)。
1.9 病理学检测
于第14天处死并解剖小鼠,分别取小鼠瘤体和腹膜各脏器等组织,经4%多聚甲醛固定、石蜡包埋、病理切片等步骤后,进行HE染色。
1.10 免疫荧光染色
肿瘤组织常规冰冻切片后进行免疫荧光染色,4%多聚甲醛固定,5%BSA封闭后,加入Collagen Type III (N-terminal) Polyclonal antibody,室温孵育1 h。重复洗涤后,加入Alexa Fluor® 647 Donkey anti-rabbit IgG (minimal x-reactivity) Antibody,室温避光孵育1 h。PBS洗涤并吸干表面水分后,滴加含DAPI封片液封片。使用DX12数字切片扫描系统进行扫描并采集切片图像,荧光采集通道包括DAPI、SpGreen(肿瘤GFP荧光)与Cy5(III型胶原)。
1.11 RT-qPCR法检测MITF基因表达
使用Trizol试剂提取各组瘤体、脏器等组织总RNA,去除基因组DNA后进行逆转录和扩增。以ACTB为内参基因,MITF基因为反应黑色素瘤肿瘤负荷的目的基因,引物序列见
表1。反应条件:95 ℃预变性2 min,95 ℃变性30 s,61 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,共30个循环。2
-△△Ct法计算目的基因相对表达量。内参和目的基因引物分别由北京擎科生物科技股份有限公司和上海碧云天生物技术股份有限公司合成。
1.12 统计学分析
所有数据通过SPSS 27.0.1统计软件进行统计分析,计量资料均以均数±标准差表示,两组间比较用独立样本t检验,多组数据间用单因素方差分析,P<0.05为差异有统计学意义。采用GraphPad Prism 10.1.2软件进行作图。为验证样本量的合理性,采用G*Power 3.1软件进行事后效能分析,在显著性水平α=0.05下,现有样本量可获得≥80%的统计学检验效能。
2 结果
2.1 药物安全性试验
给药后各组小鼠体质量均保持上升,且与对照组相比,实验组体质量变化差异无统计学意义(
P>0.05);各组小鼠体温有所波动,与对照组相比体温变化差异无统计学意义(
P>0.05,
图1);各组小鼠活动度和精神状态均保持正常,未出现药物不良反应。
2.2 小鼠一般情况与体质量变化
M4T和M4U在接种细胞约1周后,可在放置磁场的相应位置触及肿块。M4U和P4U对照组小鼠晚期(约10 d)出现精神萎靡不振、活动度下降、进食减少、腹水等情况;M4T和P4T治疗组小鼠直至处死前精神状态可、活动度良好,无腹水症状。
各组小鼠体质量变化显示(
图2),经典腹腔接种P4T治疗组比P4U对照组小鼠体质量变化差异有统计学意义(
P=0.0146);P4U对照组和M4U对照组体质量变化有统计学意义(
P=0.0156),且M4U体质量逐渐下降;其余各组间体质量变化差异无统计学意义(
P>0.05)。
2.3 以小动物活体成像系统监测肿瘤负荷变化及体内转移情况
小动物活体成像结果显示(
图3),M4U组的成瘤时间为(3.80±1.79)d,P4U组的成瘤时间为9.20±2.17 d,前者成瘤时间明显短于后者(
P=0.003),故相比于P4U组4.60±1.95 d,M4U组治疗窗口期10.00±1.73 d延长(
P=0.002)。各组小鼠成瘤率为100%。处死前M4U组肿瘤荧光信号的强度与P4U组差异无统计学意义,与M4U组相比,P4U组小鼠的肿瘤荧光信号较为分散,而M4U组小鼠的肿瘤荧光信号较集中。
经过CD4/TGF-β双特异性抗体治疗后,M4T组荧光信号显著低于M4U组(P<0.0001),且M4T组荧光信号显著低于P4T组(P=0.0239);而P4T组肿瘤荧光信号和P4U组差异无统计学意义(P>0.05)。
2.4 大体解剖结果
对小鼠进行处死并解剖,M4T组小鼠精准成瘤于造模注射点处,M4U组腹壁特定部位可见肿瘤,腹腔内有少量转移灶。P4U组小鼠肿瘤在肠系膜及腹腔其它脏器广泛转移,而P4T组肿瘤分散在腹膜各处但体积较小。除了M4T组外,其余3组在肠系膜和腹腔各脏器均有多少不一的转移(
图4)。相比于P4U和M4U组,P4T组和M4T组小鼠肿瘤体积均较小,且肿瘤质地较坚硬。
2.5 病理学结果
对4 组小鼠肿瘤进行免疫荧光染色和HE染色。结果显示除M4T组外,其余3组镜下均出现大量黑色素瘤肿瘤细胞,但P4T组小鼠肿瘤细胞数量少于P4U组,M4U组小鼠肿瘤细胞数量少于P4U组(
P<0.05);M4T组小鼠肿瘤周围Ⅲ型胶原数量多于M4U组及P4T组(
P<0.05)。同时M4T组和P4T组肿瘤细胞占所有细胞比均分别低于各自对照组(
P<0.05);M4T组小鼠单位肿瘤细胞周围Ⅲ型胶原数量多于M4U组(
P<0.05,
图5)。
2.6 实时荧光定量PCR结果
M4T组和P4T组小鼠肿瘤组织、肝脏和脾脏中MITF基因相对表达量分别低于各自对照M4U组(
P<0.05)和P4U组(
P<0.05),且M4T组较P4T组更低(
P<0.05);各组肠系膜中MITF基因相对表达量差异无统计学意义(
P>0.05,
图6)。
3 讨论
本研究通过MagIC技术成功构建了一种黑色素瘤精准腹膜转移模型,显著缩短了成瘤时间至约4 d,并提高了模型的一致性。小动物活体成像及大体解剖结果显示,与传统腹腔注射法相比,MagIC法建模小鼠的肿瘤荧光信号更为集中,定位更精准,更利于后续药效评估。经过CD4/TGF-β双特异性抗体治疗后,M4T组小鼠的肿瘤荧光信号显著低于M4U组,且其信号强度也明显低于P4T组,提示该药对黑色素瘤腹膜转移具有明确治疗作用,并在MagIC模型中展现出更优的疗效。黑色素瘤的MagIC模型在国内外尚属首次报道
[20, 21],用此类新药CD4/TGF-β双特异性抗体治疗肿瘤的腹膜转移也属首次。
实体肿瘤腹膜转移是疾病晚期的标志,预后极差
[22],即使现有的免疫检查点抑制剂如PD-1单抗和TGF-β抗体等,受限于腹膜-血浆屏障穿透性差及局部免疫抑制微环境复杂等因素,疗效常不理想
[23-27]。以TGF-β抗体为例,其只阻断了TGF-β信号通路,而CD4/TGF-β双特异性抗体既诱导CD4⁺T细胞产生Th2免疫反应,又特异性结合TGF-β分子,与TGF-β单抗有本质性的区别。而另一种PD-L1/TGF-β双功能抗体Bintrafusp Alfa曾被寄予厚望
[28],但其在临床试验中并未显著优于PD-1单药,且存在安全性隐患
[29]。CD4/TGF-β双特异性抗体则由人TGF-β受体II型(TβRII)的胞外结构域与抗人CD4单克隆抗体ibalizumab的Fab段融合而成,其特异性结合CD4受体和TGF-β分子,靶向阻断CD4⁺T细胞表面的TGF-β信号,从而解除TGF-β的免疫抑制——研究证明
[9],该药诱导CD4⁺ T细胞向Th2型极化,释放IL-4等细胞因子,重塑肿瘤微环境,不仅靶向性更强,在临床前及早期临床研究中均显示出良好的抗肿瘤潜力。
此外,黑色素瘤作为对免疫治疗比较敏感的肿瘤之一,许多新型免疫疗法在早期研究阶段多选取黑色素瘤进行疗效验证
[30, 31]。因此本研究选择了黑色素瘤的腹膜转移模型验证该药的治疗效果。
肿瘤发生腹膜转移后,会形成致密的I型胶原蛋白纤维包裹肿瘤灶,使药物难以渗透。本研究显示,该药对腹膜转移的肿瘤起到了很好的抑制作用,而通过免疫荧光染色进一步揭示,M4T和P4T治疗组的肿瘤周围出现高度连接的III型胶原蛋白包裹。因而提示,CD4/TGF-β双特异性抗体的药理机制可能是通过Th2反应,诱导肿瘤灶附近的胶原亚型从粗大的Ⅰ型向纤细致密的Ⅲ型转换,且Ⅲ型胶原纤维深入癌巢内部包裹癌细胞,形成“围困式”抑瘤效应。因此,虽然同为胶原沉积,但通过胶原转化,保护癌灶和协助转移的纤维化屏障,却“反其道”变成“困死癌灶”的牢笼,且具有肿瘤灶特异性。该药恰好针对腹膜转移I型胶原较多的屏障导致难治的痛点,取得了不错的结果,而且考虑到Ⅲ型胶原利于化疗和分子靶向药物的渗透,后续联用其它药物或许可能更好。本研究也拓展了该药临床应用的前景。
未来,我们将使用其他肿瘤的腹膜转移模型——包括消化系统肿瘤如胃癌、肠癌、胰腺癌以及妇科肿瘤如卵巢癌等(部分模型已建立,结果未展示),并使用该药进行治疗,对比该药对不同肿瘤腹膜转移治疗的疗效。由于该药高度依赖免疫系统发挥作用,尤其是CD4
+T细胞,因此验证该药的疗效需要使用匹配的小鼠模型和相应的T细胞,例如本研究使用了鼠源的肿瘤模型。既往,本团队也建立了患者源肿瘤—免疫缺陷小鼠的人鼠嵌合模型(PDX)
[19],通过引入人的外周血单核细胞,可以实现PDX的人源化,从而可以证明该药对人的肿瘤是否具有疗效(部分研究已完成,结果未展示)。人源化的PDX策略可用于目前抗肿瘤新药疗效验证,是单克隆抗体、双特异性抗体、三特异性抗体及部分细胞治疗等免疫类新药验证的重要平台,将大大提升从动物到临床的概念验证(POC)效率。
本研究使用到的人CD4转基因小鼠是探究此类新药CD4/TGF-β双特异性抗体的重要工具鼠,其使用人的CD4基因代替鼠的CD4基因,不仅可以接种鼠源性肿瘤,还可以验证靶向人CD4的免疫调节剂。该小鼠原本用于艾滋病的研究,因其体内T细胞能与抗人CD4+结合,故被研究者用于特殊单抗或双抗类药物研究,较为珍贵。而该药作为一类新型双特异性抗体,通过阻断CD4⁺T细胞中TGF-β信号,激活IL-4依赖的Th2免疫反应,进而重塑肿瘤血管结构、减少血管渗漏,并促进周细胞与成纤维细胞包裹血管,形成更为成熟的血管网络。这一过程最终导致肿瘤内部出现广泛无血管区域,引发缺氧及癌细胞死亡。此外,人与鼠的TGF-β的基因同源性很高,氨基酸序列的相似度高达99%,因此该抗体的人TβRII结构域对鼠TGF-β具有高亲和力交叉反应,保证了鼠模型中的药效评价可靠性。因此需要这种人CD4转基因小鼠探究CD4/TGF-β双特异性抗体的抗肿瘤效果。
目前传统腹膜转移模型因成瘤时间长、定位随机、个体差异大等问题
[14],难以满足精准药效评价的需求。从本实验中也发现其特异性低且一致性差,不足以进行组间的对比。而MagIC技术则通过磁化肿瘤细胞并施加局部精准磁场,实现了壁腹膜的高效、定向定植,不仅将建模时间从10 d缩短至约4 d,还显著提升了模型的一致性与可重复性,为药物评价提供了更可靠的平台
[19]。例如,P4U组和M4U两组小鼠体质量变化差异有统计学意义,M4U模型鼠体质量逐渐降低,更能体现恶性黑色素瘤晚期的临床表现;虽然P4T治疗后肿瘤体积较P4U减少,但而P4T组肿瘤荧光信号和P4U组无明显差异,可能因为成瘤部位较深,生物发光无法准确体现肿瘤负荷的变化。因此,我们建立的黑色素瘤精准腹膜转移模型能更逼真地模拟临床,并更准确地反映治疗效果。
考虑到恶性黑色素瘤具有高度异质性、强侵袭性与易耐药等特点
[32, 33],其在晚期发生腹膜转移的概率大幅增加,治疗难度显著提升。本研究证实,CD4/TGF-β双特异性抗体对黑色素瘤腹膜转移具有良好的疗效,考虑到该药与现有任何的化学治疗、分子靶向治疗和免疫治疗等机制不同,将药物联合使用可能具有协同增效作用,预实验也提示这一点(结果未显示)。若能通过化疗等引起肿瘤细胞死亡并释放抗原,有可能进一步增强该药的Th2免疫效应,而该药诱导的III型胶原包裹则有助于将肿瘤细胞困在局部,提高化疗的效果。这将是本团队下一步的研究重点。
本研究基于快速、精准的MagIC黑色素瘤腹膜转移模型,验证了CD4/TGF-β双特异性抗体通过诱导III型胶原包裹肿瘤灶的机制,可有效治疗腹膜转移的黑色素瘤,为该药在该场景的临床应用打下基础。本研究建立的精准模型和研究范式,也可能为其他的新药新方案临床前研究提供新的思路。
广东省自然科学基金(2016A030313585)
广东省自然科学基金(2018A030313647)
广州市科技计划-重点研发计划(2024B03J0232)
南方医院科研发展基金(K51701059)
南方医科大学大学生创新创业训练项目(202412121329)
南方医科大学国际教育学院教育课题(2024GJG004)