宋杰课题组《AHM》：环状单链DNA新突破：肿瘤靶向超长效表达IL-12防止癌症复发转移的新策略

IL-12的抗肿瘤特性和治疗挑战

白细胞介素-12（Interleukin-12, IL-12）是一种具有显著抗癌特性的细胞因子，能够促进T辅助细胞1型的分化，刺激T细胞介导的癌细胞杀伤，以及抑制肿瘤血管生成。因此，IL-12被认为是一种有前景的抗癌药物。传统的IL-12治疗方法主要依赖于直接向患者输送IL-12蛋白，这导致肿瘤部位的IL-12治疗浓度相对较低。为了达到肿瘤治疗浓度，需要频繁给药，这可能导致患者在治疗期间经历多次注射。此外，全身性IL-12治疗因反应率低和严重的系统性副作用而难以成功，甚至可能导致死亡。因此，为了克服这些挑战，研究人员探索了在肿瘤内原位过表达IL-12的方法，以减少泄漏和全身毒性。

自定义编码的环状单链DNA的应用空白

环状单链DNA（Circular single-stranded DNA，简称为Css DNA），是一类具有共价闭合拓扑结构的单链DNA。在DNA纳米材料的领域中，长的环形单链DNA大多数是作为DNA折纸结构的基本骨架，但是由自定义编码的长的环形单链的DNA在体内外系统的研究却很少。宋杰课题组前期工作利用了表达目的基因的Css DNA通过常用的转染试剂Lipo2000成功转染进哺乳细胞，并详细讨论Css DNA的表达机制和蛋白调控新思路^[1,2]。而如何进一步将Css DNA应用在疾病的诊断和治疗当中仍然值得深入探索。

环状单链DNA表达IL-12用于基因治疗

近期，宋杰课题组在研究中发现，通过肌肉注射Css DNA可以诱导长达半年的持续荧光素酶表达，并且通过肿瘤内注射表达展现了显著的抗肿瘤效果。受这些发现的启发，该团队开发了一种新的叶酸修饰的脂质纳米颗粒（Folate-modified Lipid NanoParticles, FA-LNPs）系统，用于递送表达IL-12的Css DNA，以治疗4T1三阴性乳腺癌模型。这种递送系统能够有效激活抗癌免疫反应，减缓肿瘤生长，显著延长动物模型中的生存期，并预防肿瘤复发。

文章示意图

相关工作以“Targeted Delivery of CircularSingle-Stranded DNA EncodingIL-12 for the Treatment of Triple.Negative Breast Cancer”为题发表在Advanced Healthcare Materials。

【文章要点】

在这项工作中，作者首先探索了不同辅助脂质（DSPC、DOPC和SOPC）与SM-102、胆固醇、PEG脂质和Css DNA结合的LNP的物理特性和体内外转染效率，观察了不同LNPs配方的表达情况。特别是SOPC搭配形成的LNPs显示出较高的表达水平。之后作者使用S-SOPC LNPs装载Css IL-12对4T1 TNBC模型进行肿瘤内注射治疗，观察到显著的肿瘤生长抑制效果，同时治疗组小鼠的生存率显著提高（图1）。

图1 Css DNA-LNPs的表征及小鼠瘤内治疗的过程

基于以上的实验结果，该团队设计了一种利用叶酸（FA）修饰的LNPs（FA-LNPs）来输送能够表达IL-12的Css DNA，以增强免疫反应并治疗4T1 TNBC模型。为了确保LNPs在体内循环中能够有效靶向肿瘤并减少非特异性分布，研究者采用了FA-DSPE-PEG和DSPE-PEG来代替DMG-PEG，由于前者的长链脂质（硬脂酸，C18）在脂质膜中嵌入更深，可能有助于提高颗粒的循环稳定性，从而减少在到达肿瘤前的药物泄露。通过静脉注射给予小鼠PBS（对照组）、未修饰叶酸的LNPs（FA-LNP，不含Css IL-12）、未修饰叶酸的IL-12 LNPs（IL-12-LNP），以及叶酸修饰的IL-12 LNPs（FA-IL-12-LNP）。结果显示，与对照组和非靶向LNPs相比，FA-IL-12-LNP治疗组的小鼠肿瘤生长显著减缓。在治疗期间，FA-IL-12-LNP治疗组的小鼠生存时间明显延长（图2）。

图2 FA-LNPs递送Css DNA表达IL-12的抗肿瘤效果

作者探究了不同的给药时间和剂量对治疗效果和系统毒性的影响，之后对经过瘤内（i.t.）和静脉（i.v.）注射治疗后康复的小鼠进行了模拟肿瘤复发实验，并监测到180天。i.t.注射组的小鼠复发率为50%，而i.v.注射组的小鼠复发率为0%。进一步检测小鼠血清中的IL-12水平，发现i.v.注射组的IL-12水平较高，这一发现与该组小鼠零复发率的现象密切相关，表明IL-12相对较高的水平对于预防肿瘤复发具有重要作用（图3）。

图3 靶向治疗优化及肿瘤复发模型的效果评估

【结论与展望】

本研究成功开发了一种新型的叶酸修饰脂质纳米颗粒（FA-LNPs），用于递送环状单链DNA（Css DNA）来表达白细胞介素-12（IL-12），从而在TNBC模型中激发显著的免疫反应和治疗效果。研究结果表明，通过Css DNA实现的IL-12持续表达，若能维持在适宜浓度，将更有效地降低肿瘤复发风险。未来的研究将深入探究IL-12的最佳表达水平，以期显著抑制肿瘤复发。这些发现不仅彰显了Css DNA在基因治疗中的潜力，而且我们的治疗策略有望扩展至蛋白质替代疗法的更多领域，为治疗苯丙酮尿症、血友病等罕见疾病提供新方向。此创新方法为基因治疗领域开辟了新视野，为长期治疗策略提供了一个平台，为患者带来新的希望。

参考文献

[1] Tang L, Tian Z, Cheng J, et al. Circular single-stranded DNA as switchable vector for gene expression in mammalian cells. Nature Communications. 2023, 14, 6665.

[2] Tian Z, Shao D, Tang L, et al. Circular single-stranded DNA as a programmable vector for gene regulation in cell-free protein expression systems. Nature Communications. 2024,15, 4635.

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