近日，真迈生物用户俄罗斯西伯利亚国立医科大学生物科学与生物工程中心、托木斯克理工大学化学与生物医学工程研究院的研究团队在Nano Today（IF17.4, JCR Q1）上发表了题为“Nano-bio interaction of magnetic nanoparticles with cells in a tumor at the single-cell level”的研究成果。通过研究未修饰的聚乙二醇化氧化铁磁性纳米颗粒(MNPs)或经pH低插入肽修饰（pHLIP）的聚乙二醇化氧化铁MNPs（用于肿瘤酸性微环境智能靶向的配体）在乳腺癌小鼠模型中的渗透和分布，作者发现MNPs通过血管破裂和内皮细胞胞吞转运作用进入肿瘤组织。随后，基于GenoLab M的单细胞RNA测序，确定了在肿瘤组织中吸收MNPs的细胞群，并揭示了MNPs在调节性Trem2+肿瘤相关巨噬细胞中的累积偏好性。
磁性纳米颗粒（MNPs）由于其磁特性可以通过交变磁场加热或非加热低频磁场激活，从而发挥内在治疗效果或促进药物释放，而MNPs在特定部位的累积可通过磁共振成像或磁粒子成像进行监测。MNPs对外部磁场的响应能力也为远程控制提供了条件，从而推动开发智能纳米系统成为可能。然而，开发一种用于精准治疗的纳米系统，需要深入了解纳米系统在体内的表现。
研究者之前通过pH低插入肽（pHLIP）对MNPs进行了修饰，创建了一个智能的pH响应的肿瘤传递系统。在酸性（低pH）肿瘤微环境中，pHLIP可以形成α螺旋结构，插入并穿过肿瘤细胞膜，因此可作为一种智能的肿瘤靶向配体。将单细胞RNA测序、流式细胞术、活体显微镜，以及透射电子显微镜结合起来，可以描述出MNPs进入肿瘤的路线，揭示肿瘤细胞亚群吞噬MNPs的过程，为设计更高效的药物递送系统，开发有效的肿瘤治疗药物提供新的策略和方法。
01 MNPs干扰肿瘤组织中不同细胞亚群的表达谱
2个处理组（MNP-PEG：未修饰的聚乙二醇化氧化铁磁性纳米颗粒；MNP-pHLIP：pH低插入肽修饰的聚乙二醇化氧化铁磁性纳米颗粒）和1个对照组（PBS磷酸盐缓冲液）处理的肿瘤组织进行单细胞RNA测序，一共聚类成10个cluster。其中9个可以被gene marker划分为具体的细胞亚群（图1A）：4个大的细胞亚群包括两类巨噬细胞、上皮细胞和成纤维细胞；5个小的细胞亚群分别是中性粒细胞、树突细胞、内皮细胞和B细胞及T细胞。这9类细胞亚群的相对丰度如图1B所示，两类巨噬细胞在2个处理组中的占比都比较高，说明了MNPs在巨噬细胞中累积的偏好性。差异基因表达分析发现：两种MNPs都会被Trem2+巨噬细胞（一类肿瘤特异免疫抑制的巨噬细胞）内吞，研究者通过免疫荧光分离MNP(Cy5)+F4/80+Trem2+细胞（图1C）进行了进一步验证。共定位分析表明，MNP-PEG处理的36±9%和MNP-pHLIP处理的36±3%的MNP(Cy5)+F4/80+巨噬细胞都是Trem2+类型。随后，提取两类占比较多的巨噬细胞的亚群，再次进行降维和聚类分析。发现这些细胞亚群可被进一步分类为几个不同类别：M1-like TAM（肿瘤相关巨噬细胞），M2-like TAM，免疫调控和促血管因子及增殖的TAM（图1D），Cluster 4 m被鉴定为CD14+肿瘤浸润单核细胞，Cluster 6 m几乎只出现在MNP-pHLIP处理的样本中，被划分为S100a8/9+细胞。含有MNPs的所有巨噬细胞亚群中，都能检测到Creg1+, Ctsd+, Cyba+，研究者推测MNPs可能激活了TAM细胞的Nrf2途径，从而调节巨噬细胞对MNPs的反应以及肿瘤微环境。
图1 4T1乳腺癌模型小鼠的细胞亚群全景。（A）12,892个细胞通过UMAP聚类成10个亚群;（B）4T1乳腺癌肿瘤组织三个组别细胞亚群的相对丰度，PBS处理组作为对照，处理组是未修饰的聚乙二醇化氧化铁磁性纳米颗粒(MNP-PEG)或经pH低插入肽修饰的聚乙二醇化氧化铁（MNP-pHLIP)处理24h后的样本，每组2例，*代表FDR<0.05;（C）三个处理的小鼠获取代表性肿瘤组织切片，抗F4/80（绿色）和抗Trem2（红色）抗体染色；MNPs为洋红色。比例尺：100 µm;（D）4T1乳腺癌肿瘤组织的巨噬细胞亚群聚类结果;（E）巨噬细胞亚群的相对丰度柱状图。
1. 基于单细胞转录组测序可以获得MNPs在肿瘤细胞群中无偏分布数据；
2. 血管破裂和内皮细胞吞噬可以解释MNPs在肿瘤组织中的外渗现象；
3. MNPs在肿瘤组织中优先与Trem2+巨噬细胞相互作用，有望应用于细胞重编程；
4. 单核细胞可以将MNPs传递给上皮癌细胞；
5. 与pH低插入肽修饰的结合会影响MNP在生物体内的分布。
Pershina A G, Efimova L V, Brikunova O Y, et al. Nano-bio interaction of magnetic nanoparticles with cells in a tumor at the single-cell level[J]. Nano Today, 2024, 56: 102300.