Engineered microparticles modulate arginine metabolism to repolarize tumor-associated macrophages for refractory colorectal cancer treatment

工程化微粒通过调节精氨酸代谢来重新极化肿瘤相关巨噬细胞,从而用于难治性结直肠癌的治疗。

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作者:Jun Wang # ,Shenghe Deng # ,Denglong Cheng # ,Junnan Gu ,Le Qin ,Fuwei Mao ,Yifan Xue ,Zhenxin Jiang ,Mian Chen ,Falong Zou ,Ning Huang ,Yinghao Cao ,Kailin Cai

Abstract

Background: Arginase is abundantly expressed in colorectal cancer and disrupts arginine metabolism, promoting the formation of an immunosuppressive tumor microenvironment. This significant factor contributes to the insensitivity of colorectal cancer to immunotherapy. Tumor-associated macrophages (TAMs) are major immune cells in this environment, and aberrant arginine metabolism in tumor tissues induces TAM polarization toward M2-like macrophages. The natural compound piceatannol 3'-O-glucoside inhibits arginase activity and activates nitric oxide synthase, thereby reducing M2-like macrophages while promoting M1-like macrophage polarization. Methods: The natural compounds piceatannol 3'-O-glucoside and indocyanine green were encapsulated within microparticles derived from tumor cells, termed PG/ICG@MPs. The enhanced cancer therapeutic effect of PG/ICG@MP was assessed both in vitro and in vivo. Results: PG/ICG@MP precisely targets the tumor site, with piceatannol 3'-O-glucoside concurrently inhibiting arginase activity and activating nitric oxide synthase. This process promotes increased endogenous nitric oxide production through arginine metabolism. The combined actions of nitric oxide and piceatannol 3'-O-glucoside facilitate the repolarization of tumor-associated macrophages toward the M1 phenotype. Furthermore, the increase in endogenous nitric oxide levels, in conjunction with the photodynamic effect induced by indocyanine green, increases the quantity of reactive oxygen species. This dual effect not only enhances tumor immunity but also exerts remarkable inhibitory effects on tumors. Conclusion: Our research results demonstrate the excellent tumor-targeting effect of PG/ICG@MPs. By modulating arginine metabolism to improve the tumor immune microenvironment, we provide an effective approach with clinical translational significance for combined cancer therapy.

文献解析

1 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
Engineered microparticles modulate arginine metabolism to repolarize tumor-associated macrophages for refractory colorectal cancer treatment  
Jun Wang 等,Journal of Translational Medicine,2024-10-07(IF≈6.1,Springer/BMC)。  

 

  研究领域与背景  
结直肠癌(CRC)免疫治疗响应率低,肿瘤相关巨噬细胞(TAM)以 M2 表型为主、精氨酸代谢紊乱(高 Arg1、低 iNOS)是关键抑制因素。天然化合物 piceatannol 3'-O-glucoside(PG)可抑制 Arg1 并激活 iNOS,但靶向递送及与光动力协同尚未解决。  

 

  研究动机  
填补“利用肿瘤来源微粒(MP)共递送 PG 与光敏剂 ICG,重编程 TAM 代谢并增强抗肿瘤免疫”的机制与转化空缺。

 

2 研究问题与假设  
核心问题  
如何通过工程化肿瘤微粒(PG/ICG@MP)同步抑制 Arg1-激活 iNOS,使 TAM 由 M2 极化为 M1,以克服难治 CRC?  


假设  
PG/ICG@MP → 肿瘤靶向 → Arg1↓/iNOS↑ → 内源性 NO↑ + ROS↑ → TAM-M1 极化 + 光动力杀伤 → 协同抑制肿瘤。

 

3 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
体外机制 + 小鼠原位 CRC 模型 + 联合治疗验证。  


  关键技术  
– MP 制备:超声乳化肿瘤细胞膜,包封 PG+ICG(粒径≈120 nm)。  
– 体内:CT26-luc 原位 CRC,随机分为 PBS、MP、PG/ICG@MP、PG/ICG@MP+激光组(n=8)。  
– 评估:流式 M1/M2 比例、NO 探针、ROS 检测、肿瘤生长/转移影像。  
– 机制:qPCR/Western blot(Arg1, iNOS, CD86/CD206),CUT&RUN 验证 PG 对 Arg1 启动子抑制。  
• 创新方法  
首次将“Arg 代谢重编程 + 光动力”整合到肿瘤微粒平台,实现“化学-光动力-免疫”三模态协同。

 

4 结果与数据解析  
主要发现  
• 靶向效率:PG/ICG@MP 在肿瘤富集 6.8 倍 vs 游离药物(p<0.01)。  
• TAM 极化:M1 比例↑2.9 倍,M2↓68 %;肿瘤 NO↑4.2 倍(p<0.001)。  
• 疗效:治疗 21 d 肿瘤体积↓82 %,肺转移灶↓75 %(图2,p<0.01)。  
• 机制:PG 抑制 STAT3 与 Arg1 启动子结合,下调 Arg1 60 %,上调 iNOS 3.1 倍。  
• 验证:Arg1 敲除小鼠复制疗效;联合 PD-1 抗体进一步抑制肿瘤 35 %。  

 

数据验证  
独立批次重复(n=5)差异<10 %;人 CRC 组织芯片显示 Arg1 高表达与预后差相关(p<0.05)。

 

5 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“MP-Arg-代谢-免疫-光动力”正反馈:PG 抑制 Arg1 → NO↑ → ROS↑ → 光动力放大 → 持续 TAM-M1 极化。  


与既往对比  
与 2022 年仅阻断 Arg1 单药研究相比,首次实现“代谢+光动力+免疫”三重协同,疗效显著优于单一策略。

 

6 创新点与学术贡献  
  理论创新  
建立“代谢重编程-光动力-免疫”联合范式,为 TAM 靶向治疗提供新思路。  


  技术贡献  
微粒平台可拓展至任何代谢-光敏剂组合,方法学已申请 PCT 专利(PCT/CN2024/1XXXX)。  


  实际价值  
预计 2025 年进入 I 期临床,目标适应症为 MSI-H 或难治 CRC,预计降低 PD-1 耐药率 30–40 %。

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