近日，真邁生物用戶俄羅斯西伯利亞國立醫(yī)科大學(xué)生物科學(xué)與生物工程中心、托木斯克理工大學(xué)化學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程研究院的研究團隊在Nano Today（IF17.4, JCR Q1）上發(fā)表了題為“Nano-bio interaction of magnetic nanoparticles with cells in a tumor at the single-cell level”的研究成果。通過研究未修飾的聚乙二醇化氧化鐵磁性納米顆粒(MNPs)或經(jīng)pH低插入肽修飾（pHLIP）的聚乙二醇化氧化鐵MNPs（用于腫瘤酸性微環(huán)境智能靶向的配體）在乳腺癌小鼠模型中的滲透和分布，作者發(fā)現(xiàn)MNPs通過血管破裂和內(nèi)皮細胞胞吞轉(zhuǎn)運作用進入腫瘤組織。隨后，基于GenoLab M的單細胞RNA測序，確定了在腫瘤組織中吸收MNPs的細胞群，并揭示了MNPs在調(diào)節(jié)性Trem2⁺腫瘤相關(guān)巨噬細胞中的累積偏好性。

磁性納米顆粒（MNPs）由于其磁特性可以通過交變磁場加熱或非加熱低頻磁場激活，從而發(fā)揮內(nèi)在治療效果或促進藥物釋放，而MNPs在特定部位的累積可通過磁共振成像或磁粒子成像進行監(jiān)測。MNPs對外部磁場的響應(yīng)能力也為遠程控制提供了條件，從而推動開發(fā)智能納米系統(tǒng)成為可能。然而，開發(fā)一種用于精準治療的納米系統(tǒng)，需要深入了解納米系統(tǒng)在體內(nèi)的表現(xiàn)。

研究者之前通過pH低插入肽（pHLIP）對MNPs進行了修飾，創(chuàng)建了一個智能的pH響應(yīng)的腫瘤傳遞系統(tǒng)。在酸性（低pH）腫瘤微環(huán)境中，pHLIP可以形成α螺旋結(jié)構(gòu)，插入并穿過腫瘤細胞膜，因此可作為一種智能的腫瘤靶向配體。將單細胞RNA測序、流式細胞術(shù)、活體顯微鏡，以及透射電子顯微鏡結(jié)合起來，可以描述出MNPs進入腫瘤的路線，揭示腫瘤細胞亞群吞噬MNPs的過程，為設(shè)計更高效的藥物遞送系統(tǒng)，開發(fā)有效的腫瘤治療藥物提供新的策略和方法。

01?MNPs干擾腫瘤組織中不同細胞亞群的表達譜

2個處理組（MNP-PEG：未修飾的聚乙二醇化氧化鐵磁性納米顆粒；MNP-pHLIP：pH低插入肽修飾的聚乙二醇化氧化鐵磁性納米顆粒）和1個對照組（PBS磷酸鹽緩沖液）處理的腫瘤組織進行單細胞RNA測序，一共聚類成10個cluster。其中9個可以被gene marker劃分為具體的細胞亞群（圖1A）：4個大的細胞亞群包括兩類巨噬細胞、上皮細胞和成纖維細胞；5個小的細胞亞群分別是中性粒細胞、樹突細胞、內(nèi)皮細胞和B細胞及T細胞。這9類細胞亞群的相對豐度如圖1B所示，兩類巨噬細胞在2個處理組中的占比都比較高，說明了MNPs在巨噬細胞中累積的偏好性。差異基因表達分析發(fā)現(xiàn)：兩種MNPs都會被Trem2⁺巨噬細胞（一類腫瘤特異免疫抑制的巨噬細胞）內(nèi)吞，研究者通過免疫熒光分離MNP(Cy5)⁺F4/80⁺Trem2⁺細胞（圖1C）進行了進一步驗證。共定位分析表明，MNP-PEG處理的36±9%和MNP-pHLIP處理的36±3%的MNP(Cy5)⁺F4/80⁺巨噬細胞都是Trem2⁺類型。隨后，提取兩類占比較多的巨噬細胞的亞群，再次進行降維和聚類分析。發(fā)現(xiàn)這些細胞亞群可被進一步分類為幾個不同類別：M1-like TAM（腫瘤相關(guān)巨噬細胞），M2-like TAM，免疫調(diào)控和促血管因子及增殖的TAM（圖1D），Cluster 4 m被鑒定為CD14⁺腫瘤浸潤單核細胞，Cluster 6 m幾乎只出現(xiàn)在MNP-pHLIP處理的樣本中，被劃分為S100a8/9+細胞。含有MNPs的所有巨噬細胞亞群中，都能檢測到Creg1⁺,?Ctsd⁺,?Cyba⁺，研究者推測MNPs可能激活了TAM細胞的Nrf2途徑，從而調(diào)節(jié)巨噬細胞對MNPs的反應(yīng)以及腫瘤微環(huán)境。

圖1 4T1乳腺癌模型小鼠的細胞亞群全景。（A）12,892個細胞通過UMAP聚類成10個亞群;（B）4T1乳腺癌腫瘤組織三個組別細胞亞群的相對豐度，PBS處理組作為對照，處理組是未修飾的聚乙二醇化氧化鐵磁性納米顆粒(MNP-PEG)或經(jīng)pH低插入肽修飾的聚乙二醇化氧化鐵（MNP-pHLIP)處理24h后的樣本，每組2例，*代表FDR<0.05;（C）三個處理的小鼠獲取代表性腫瘤組織切片，抗F4/80（綠色）和抗Trem2（紅色）抗體染色；MNPs為洋紅色。比例尺：100 μm;（D）4T1乳腺癌腫瘤組織的巨噬細胞亞群聚類結(jié)果;（E）巨噬細胞亞群的相對豐度柱狀圖。

1.?基于單細胞轉(zhuǎn)錄組測序可以獲得MNPs在腫瘤細胞群中無偏分布數(shù)據(jù)；

2.?血管破裂和內(nèi)皮細胞吞噬可以解釋MNPs在腫瘤組織中的外滲現(xiàn)象；

3.?MNPs在腫瘤組織中優(yōu)先與Trem2⁺巨噬細胞相互作用，有望應(yīng)用于細胞重編程；

4.?單核細胞可以將MNPs傳遞給上皮癌細胞；

5.?與pH低插入肽修飾的結(jié)合會影響MNP在生物體內(nèi)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.