综述：细胞机械活化抗原呈递细胞和T细胞用于癌症免疫治疗

　　本综述系统探讨了机械转导（Mechanotransduction）在癌症免疫治疗中的前沿应用，重点聚焦流体剪切力（FSS）和超声（FU）通过激活Piezo1等机械敏感离子通道，诱导Ca2+内流，进而调控抗原呈递细胞（APCs）、T细胞及CAR-T细胞功能的最新机制与治疗潜力，为“癌症机械疗法（Cancer Mechanotherapy）”提供了创新视角。

　　

引言

癌症是全球主要死亡原因，其中约90%的死亡与转移相关。转移性癌细胞在血液和淋巴循环中经受流体剪切力（FSS）等严酷条件，而细胞迁移过程中通过细胞外基质的收缩孔隙也会影响癌症和免疫细胞的生物学行为。肿瘤微环境与正常组织在氧张力、局部pH、营养浓度和机械刚度等方面存在差异，这些因素影响免疫细胞浸润，使其经受不同水平的FSS并影响其活化状态。机械力可将机械刺激转化为生化信号，这一过程称为机械转导，它通过改变细胞外蛋白构象（尤其是机械敏感离子通道）导致Ca²⁺内流及后续事件级联，从而调节细胞功能和行为。

抗原呈递细胞（APCs）

巨噬细胞

巨噬细胞是先天免疫的关键细胞，在癌症等多种疾病中发挥重要作用。近期研究表明机械转导信号影响单核细胞和巨噬细胞的分化与功能。人单核细胞在心肺旁路系统中暴露于0–42 dyn/cm²的FSS后，以钙依赖方式增强促炎细胞因子产生，并激活MEK/ERK和钙调磷酸酶/NFAT通路。较高FSS和较低温度增强这些效应。使用锥板粘度计剪切THP-1细胞可减少M2标志物，增加M1标志物、表面热休克蛋白（HSPs）和CAP1。原代人单核细胞衍生的巨噬细胞用锥板粘度计以15或30 dyn/cm²的FSS处理3、24和48小时后，促炎细胞因子表达增加并促进更圆形态。效应在较高FSS和较长暴露时间下更显著。LPS预处理的骨髓衍生巨噬细胞（BMDM）通过微流体装置暴露于1–50 dyn/cm² FSS，在50 dyn/cm²时表现出 elevated 炎症小体激活和钙信号。此外，FSS上调Piezo1、IKKβ和NLRP3表达以及炎性细胞因子IL-1β和CCL2。

低强度脉冲超声（LIPUS）处理小鼠M1巨噬细胞 elevated 抗炎细胞因子IL-10表达，同时降低促炎细胞因子TNF-α和IL-6表达。形态学分析表明LIPUS将巨噬细胞从M1表型转变为M2表型。在大鼠模型和小鼠BMDMs中，LIPUS处理增加巨噬细胞积累。最初LIPUS诱导促炎表型，但在后期愈合阶段促进M2极化。LIPUS处理BV-2小胶质细胞通过减少促炎标志物和增强抗炎标志物抑制M1极化并促进M2表型。一项研究表明，与热高强度聚焦超声（T-HIFU）或无治疗相比，机械高强度聚焦超声（M-HIFU）增强肿瘤微环境中T细胞浸润和M1巨噬细胞极化。使用HIFU时，巨噬细胞极化向M1表型转变，其特征是较低CD206、较高MHC-II以及增加促炎细胞因子IFN-γ和TNF-α，同时减少抗炎细胞因子TGF-β1。

Piezo1参与刚度感觉，其缺失减少巨噬细胞炎症。小鼠髓系细胞中Piezo1缺失减少巨噬细胞积累、炎症和肾纤维化。此外，小鼠髓系细胞中Piezo1敲除减弱巨噬细胞浸润、M1极化、炎症和肝纤维化。这些观察表明机械力通过机械敏感离子通道（特别是Piezo1）调节巨噬细胞功能和极化。

树突状细胞（DCs）

癌症免疫治疗中DCs的体外活化面临效率限制，需要探索替代方法。机械刺激已被研究用于激活DCs用于癌症免疫治疗。一个微流体系统对原代小鼠骨髓衍生树突状细胞（BMDCs）施加0.2–0.6 dyn/cm²的FSS，改变其迁移模式并增加其活化，且MHC-I和CD86蛋白表达更高。使用锥板粘度计将小鼠和原代人DCs暴露于5 dyn/cm²的FSS 1小时后，增加细胞因子释放和共刺激分子表达。此外，发现FSS诱导的代谢和形态变化依赖于机械敏感离子通道。来自mCRPC患者的DCs用锥板粘度计剪切，显示增强的细胞因子表达、p-NF-κB、p-c-Fos和DC成熟。有趣的是，FSS对来自接受Pluvicto（Novartis）患者的DCs比常规化疗患者细胞更有效。我们将22G针头安装在VIAFLO96多通道移液设备的移液器吸头上，对BMDCs施加高达290 dyn/cm²的FSS。这种FSS处理增强BMDCs的分化以及MHC-II和CD80分子表达。

沸腾组织切片（BH），一种聚焦超声方法，增强APCs中的肿瘤抗原摄取。值得注意的是，DC活化受其肿瘤抗原摄取调节。考虑到上述讨论和当前体外DC活化方法的局限性，机械转导可能改善癌症治疗中DCs的体外活化。

B细胞

B细胞是适应性免疫系统的关键调节器，通过B细胞受体（BCR）识别可溶性或膜呈现抗原，导致B细胞活化和抗体产生。尽管对B细胞机械活化的研究有限，但新兴证据表明机械力在B细胞活化中发挥重要作用。B细胞对膜呈现抗原比可溶性抗原反应更 readily，当Piezo1被抑制或敲低时，这一过程显著受损。在具有不同刚度并涂有BCR配体的聚丙烯酰胺凝胶的玻璃盖玻片上研究B细胞活化。在免疫突触形成过程中，B细胞ER重塑是机械敏感的，较软基质减少ER膜招募到免疫突触，而较硬基质促进更大ER重组和扩展。此外，B细胞利用主动细胞骨架力从APCs提取抗原，实现精确亲和力辨别。研究人员确定了一个最佳拉力范围，平衡抗原提取效率和分子破裂阈值。因此，新兴证据表明B细胞对机械力高度敏感，力在影响其活化和成熟过程中起关键作用。

T细胞

FSS增强T细胞活化

Piezo1在免疫细胞（包括CD4+和CD8+ T细胞）中高表达。我们课题组首次报道了Jurkat和原代T细胞在FSS条件下增强和持续的T细胞活化。通过FSS对机械敏感离子通道的机械刺激引起钙内流，进一步放大T细胞受体（TCR）介导的活化。值得注意的是，在FSS存在下，T细胞活化表面标志物CD69和CD25的个体和共表达水平在10天内始终高于用抗CD3/CD28珠子在静态条件下刺激的T细胞。

聚焦超声（FU）的嵌合抗原受体（CAR）T细胞疗法

CAR T细胞是一种过继性癌症免疫治疗，其中T细胞通过白细胞分离术从患者体内采集，在体外用靶向特定抗原的CAR进行遗传修饰，然后扩增并回输。CAR T细胞疗法 revolutionized 癌症治疗，延长缓解期，在某些情况下对B细胞恶性肿瘤患者具有治愈性。2017年至2024年间，7种CAR T细胞疗法获得FDA批准－全部用于血液恶性肿瘤。然而，它们仍面临局限性：危及生命的细胞因子释放综合征和 on-target off-tumor（OTOT）毒性、对实体瘤疗效有限、B细胞恶性肿瘤中的抑制和耐药、抗原逃逸、有限持久性、不良 trafficking 和肿瘤浸润以及免疫抑制肿瘤微环境。

为了减轻OTOT，合成生物学家基因工程化了可诱导CAR T细胞，其响应外部刺激激活，增强治疗精确性。例如，通过小分子药物选择性激活允许CAR T细胞的精确时间控制；然而，这通常缺乏空间特异性。光控CAR T疗法显示出有希望的结果和良好的空间可控性；然而，光无法穿透体内深处的实体瘤。与化学和光刺激相比，通过FU的机械刺激提供更高的时空分辨率以改进控制，并且可以穿透深层组织。

研究人员利用微泡（MBs）介导的FU机械激活Jurkat和原代人T细胞中抗CD19 CAR的基因表达。超声暴露下的微泡振荡假设放大机械信号，有助于CAR表达。研究证明Jurkat T细胞上CAR表达增加约2.5倍，人原代T细胞上超声增强CAR表达增加约1.28倍。然而，这些MBs在体内的短循环时间限制了该方法的体内应用。另一项近期研究利用FU的热效应进行机械遗传CAR T细胞免疫治疗。FU诱导的温度升高激活热休克蛋白（HSP）启动子，使CAR基因表达。在双侧皮下肿瘤小鼠模型中，FU处理显著抑制肿瘤生长 compared to 对照侧。这些发现表明超声介导的T细胞中CAR表达的机械和热控制 represent 有希望策略以增强基于CAR T细胞的癌症免疫治疗。

近期研究强调癌细胞机械敏感性作为启用SynNotch CAR相关免疫治疗的关键元素。工程化癌细胞作为“训练中心”，激活SynNotch CAR T细胞产生靶向癌细胞中广泛抗原的CARs，最终导致整体肿瘤抑制。在一项将SynNotch CAR T疗法与FU诱导CRISPR结合的研究中，FU升高局部温度，由热敏感HSP启动子感知，触发CRISPR激活。研究人员工程化FU诱导CRISPR以破坏端粒并触发PC3前列腺癌细胞中截短CD19（tCD19）表达。由引发抗原tCD19激活的tCD19/SynNotch-PSMA/CAR T细胞诱导PSMA表达癌细胞的死亡。这项体内研究证明超声处理组与未处理对照组相比显著肿瘤生长抑制。一种不同的可诱导CAR表达系统CaDox最近在预印本中报道，在撰写本文时尚未经过同行评审。CaDox系统使PC3细胞中tCD19基因表达受强力霉素（DOX）剂量和FU机械刺激控制。tCD19+工程化PC3亚群刺激tCD19/SynNotch-PSMA/CAR T细胞，随后使“训练”的CAR T细胞能够杀死PSMA+肿瘤细胞群体。使用工程化PC3细胞皮下肿瘤模型的体内实验证明，用DOX、FU和SynNotch CAR T细胞处理的组显著肿瘤抑制。他们将观察到的细胞内钙增加归因于激活的机械敏感pannexin1（PANX1）半通道的间接效应：PANX1细胞外释放ATP，作用于相邻细胞中的嘌呤能受体，从而增加其肌醇1,4,5-三磷酸水平。结果，这种旁分泌信号导致相邻细胞钙内流和细胞内钙释放。钙成像实验支持这种间接机制，表明超声模拟后5–10秒钙响应延迟和钙传播超出FU焦点区域。

展望

检查免疫和癌细胞对FSS响应的研究－无论是在淋巴或血液循环的生理微环境中，还是在实体瘤或健康组织的慢 interstitial flows 中－可以借镜癌症转移的基本物理机制，并揭示由剪切应力激活的新药物敏感性。它们还建议新的体外免疫细胞处理方法，可能 revolutionized 癌症免疫治疗，提高效率并大大降低成本。这些进步将使这些救生治疗可用于更广泛的患者群体。然而，影响体内这些细胞的流体物理在临床环境中难以操纵或控制。例如，虽然对体外细胞处理有效，但在体内外部应用FSS可能困难。这一挑战是FU提供有趣且临床相关干预模式的地方。我们课题组和其他人已经表明，细胞对FU的响应在广泛范围内与对FSS的响应 closely 相似。因此，我们可能有一天能够非侵入性地引入温和而有效的机械信号深入体内，包括实体瘤、转移部位和免疫器官。FU可能使癌细胞对药物治疗敏感或在原位激活和重编程免疫细胞，从而建立一个可能称为“癌症机械疗法”的新医学领域。为实现这种新颖的、基于FU的癌症治疗模式，必须解决几个挑战。首先，声学参数的优化－包括超声频率、PRF、占空比和暴露持续时间－至关重要，因为这些参数共同决定超声暴露期间机械或热效应是否主导。其次，目前没有标准化临床方案以确保一致和最佳治疗效果。第三，一个主要转化障碍是缺乏可靠、简单和成本效益高的方法来评估超声暴露引起的潜在机械或热组织损伤。此外，必须最小化周围健康组织中 off-target 免疫细胞活化的风险。当前广泛使用的方法如MRI引导FU增加临床工作流程的复杂性和成本。

为克服这些限制，需要进一步研究和技术发展。有希望的方向包括：（1）开发更易获取和成本效益高的成像模式作为MRI替代品以引导FU和实时监测组织温度；（2）使用定制设计声学透镜将超声束转换为几乎任何形状以实现更局部化和受控FU刺激；以及（3）采用能够产生多个焦点的超声阵列换能器以实现空间选择性和可编程激活而无需移动超声换能器或样本。这些创新有潜力显著增强临床环境中FU介导癌症免疫治疗的精确性、安全性和可行性。