在癌症治療上，除了透過小分子藥物標靶之外，免疫治療也是日益成熟的治療選項，近期廣受討論的近紅外光免疫療法（near-infrared photoimmunotherapy，NIR-PIT）便是一例。近紅外光免疫療法是合併光動力療法與免疫學治療的新興抗癌方法，在直接殺死癌細胞的同時也能刺激免疫系統的活化，其背後原理是透過光照射使腫瘤產生免疫原性細胞死亡（immunogenic cell death，ICD）的現象，並釋出腫瘤相關抗原（tumor-associated antigens，TAAs），抗原進一步活化免疫系統誅殺逃脫光照的殘餘癌細胞（圖一）[1]。
不過，免疫治療的低反應率（response rate）和副作用往往侷限該療法的應用。儘管功能性水凝膠系統（functional hydrogel system）能改善免疫療法目前遇到的困境，但水凝膠在臨床上的使用也有尚未克服的難題，除了生物相容性與安全上的問題之外，材料的高成本以及含水量高導致難以滅菌的特性也限縮了水凝膠在免疫療法上的應用。中國蘇州大學的研究團隊以紅血球為基底，建立具類似水凝膠特性的紅血球凝膠系統（red blood cells-based gel），並探討該系統的特性以及於近紅外光免疫療法的應用價值 [2]。
圖一、近紅外光免疫療法的原理是透過光照射使腫瘤產生免疫原性細胞死亡（immunogenic cell death）的現象並釋出相關抗原，活化免疫系統，誅殺逃過光照的癌細胞。
圖片來源：https://doi.org/10.1093/intimm/dxaa037
團隊首先透過小鼠實驗，發現藉由皮下注射至小鼠體內的紅血球，能在 5 分鐘後於皮下組織迅速形成具彈性且結構完整的深棕紅色凝膠結構，透過免疫螢光染色實驗，推測合成紅血球凝膠的關鍵是血小板與凝血酶（thrombin）所共同參與的凝集反應（agglutination）。此外，團隊也發現皮下注射紅血球能激發小鼠體內 IgG、IgA 和 IgM 等抗體的產生，而且紅血球凝膠在注射 14 天後便會完全在體內被分解。由此可知：紅血球凝膠除了具備高度的生物相容性之外，也可以強化生物體的免疫能力。
基於紅血球凝膠深棕紅色的外觀，研究團隊猜想紅血球凝膠或許能應用於近紅外光免疫療法上。在近紅外線的照射後，不論是紅血球本體抑或是紅血球凝膠的注射區域，兩者皆能快速升溫，顯示在近紅外線的照射下都有光熱效應（photothermal effect，註一）。團隊進一步想探討紅血球凝膠是否能成為攜帶疏水小分子藥物的載體，因此將包裹有螢光染劑 DiD 的紅血球凝膠皮下注射入小鼠體內，發現近紅外線的照射，不但能破壞紅血球凝膠表面，促進 DiD 的小釋放，而且 DiD 會傾向聚集於鄰近淋巴結的區域，顯示近紅外線照射能作為調控紅血球凝膠藥物釋放的方法。
為了進一步驗證紅血球凝膠於免疫療法上的應用，團隊搭配可誘發免疫反應、產生抗癌效果的 TLR7 促效劑 Imiquimod （R837），利用紅血球凝膠將其包覆後注入小鼠體內（以下將此藥以 R837@RBCs 代稱）並進行近紅外線照射；控制組則未受紅外線照射，注射紅血球凝膠或 R837@RBCs。結果顯示，小鼠的淋巴結區域出現大量的樹突細胞和巨噬細胞等抗原呈現細胞（antigen-presenting cells，APCs），由此作者推測近紅外線照射可能促進 R837 自紅血球凝膠釋放並聚集於淋巴結，進而誘導抗原呈現細胞的活化。
接著，團隊利用小鼠實驗確認 R837@RBCs 於生物體的功效。團隊首先在小鼠皮下植入大腸癌細胞 CT26，待腫瘤生長至一定大小之後，再依據組別給予 R837@RBCs、RBCs 或 R837，同時以近紅外線照射腫瘤組織。12 天後，R837@RBCs 和 RBCs 組別的小鼠腫瘤顯著縮小，但只有 R837@RBCs 組別的小鼠體內可偵測到 TNF-α、IFN-γ 等細胞激素與 CD4+、CD8+ T 細胞的數量上升。團隊因此推論：R837@RBCs 和 RBCs 組別的小鼠皆有光剝離作用（photoablation effect，PA effect，註二）使腫瘤萎縮，但只有 R837@RBCs 組別的小鼠能因 R837 的釋出誘發免疫反應。
團隊後續在實驗第 44 天再次於小鼠皮下植入大腸癌細胞 CT26，發現 RBCs 組別的小鼠依然會長出腫瘤，但 R837@RBCs 組別的小鼠可明顯抑制腫瘤生長，而且在 R837@RBCs 組別的小鼠脾臟內除了含有比初次實驗更多的 TNF-α、IFN-γ 、IL-2 等細胞激素之外，也可偵測到大量的作用記憶型 T 細胞（effector memory T cell，TEM），但若改植入乳癌細胞 4T1 的情況下則無上述現象，由此可知：R837@RBCs 組別的小鼠所誘發的免疫反應具有記憶性和專一性。
最後，團隊模擬腫瘤轉移的過程，先於小鼠左側植入腫瘤細胞 CT26，間隔 7 天後再於小鼠右側同樣植入 CT26 細胞，探討 R837@RBCs 合併於原發腫瘤（小鼠左側的腫瘤）照射近紅外線能否針對轉移性腫瘤（小鼠右側的腫瘤）產生抗癌效果。實驗結果顯示：相較於僅能抑制原發腫瘤生長的 RBCs 組別小鼠，R837@RBCs 組別的小鼠不但能雙雙抑制原發和轉移性腫瘤的生長，而且轉移性腫瘤區域也產生大量的腫瘤浸潤淋巴細胞（tumor-infiltrating lymphocytes，TILs），證實 R837@RBCs 合併近紅外線照射療法具備遠端效應（abscopal effect，註三），未來或許可應用於癌末治療。
如何提高針對腫瘤組織的標靶性、以及降低療法所帶來的副作用，一直是癌症治療的課題。近紅外光免疫療法能不影響正常細胞存活，同時強化人體免疫力的特性，是相較於其他療法而言的極大優勢，自相關臨床試驗推出之後，其應用便受到人們的廣泛關注 [3]。而此研究所創建的紅血球凝膠除了能做為水凝膠的替代品之外，能進一步活化生物體免疫反應（圖二）的特性，也讓近紅外光免疫療法具更廣闊的發揮空間，發展前景備受期待。
圖二、紅血球凝膠系統搭配近紅外線照射可促使腫瘤相關抗原的產生，活化抗原呈現細胞，誘發個體免疫反應並且產生專一性、記憶性與遠端效應。 圖片來源：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2021.120724
[註一] 光熱效應（photothermal effect）是指材料經由光激發產生熱能的現象，醫學上常利用此效應治療血管病變或進行雷射手術。
[註二] 光剝離作用（photoablation effect，PA effect）是利用高能量的光子，打斷組織分子之間鍵結的現象。
[註三] 遠端效應（abscopal effect）是指利用放射線破壞原發腫瘤時，遠端未受輻射的腫瘤也發生萎縮的現象。
Main Article:
Fei, Z., Fan, Q., Dai, H., Zhou, X., Xu, J., Ma, Q., Maruyama, A., & Wang, C. (2021). Physiologically triggered injectable red blood cell-based gel for tumor photoablation and enhanced cancer immunotherapy. Biomaterials, 271, 120724. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2021.120724
參考文獻：
[1] Kobayashi, H., Furusawa, A., Rosenberg, A., & Choyke, P. L. (2021). Near-infrared photoimmunotherapy of cancer: a new approach that kills cancer cells and enhances anti-cancer host immunity. International immunology, 33(1), 7–15. https://doi.org/10.1093/intimm/dxaa037
[2] Fei, Z., Fan, Q., Dai, H., Zhou, X., Xu, J., Ma, Q., Maruyama, A., & Wang, C. (2021). Physiologically triggered injectable red blood cell-based gel for tumor photoablation and enhanced cancer immunotherapy. Biomaterials, 271, 120724. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2021.120724
[3] Kobayashi, H., & Choyke, P. L. (2019). Near-Infrared Photoimmunotherapy of Cancer. Accounts of chemical research, 52(8), 2332–2339. https://doi.org/10.1021/acs.accounts.9b00273
關鍵字：cancer photoimmunotherapy、NIR-PIT
撰文｜張芷榕
審稿｜黃云宣
