《Materials Today Advances》：The rise of sono-immunotherapy in Glioblastoma therapy
胶质母细胞瘤（GBM）是肿瘤学领域的一个典型挑战，其特征为高度免疫抑制性的肿瘤微环境（TME）以及阻碍传统治疗递送的坚固血脑屏障（BBB）。尽管免疫疗法革新了癌症治疗，但其在GBM中的疗效受限于这些肿瘤的"免疫冷"特性。声免疫疗法作为一种变革性策略应运而生，利用聚焦超声（FUS）的深度组织穿透能力，从机械和热力学角度调控TME。本综述综合了声学物理学、免疫学与先进生物材料科学交叉融合的前沿进展。研究人员批判性地审视了超声响应性生物材料——包括工程化声敏剂、功能化纳米载体以及基因修饰细菌——如何协同 orchestrate 强效的抗肿瘤免疫。研究人员详细阐述了这些生物活性剂如何利用超声能量诱导免疫原性细胞死亡（ICD）、突破BBB/脑-肿瘤屏障（BTB）以及使肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）重极化。此外，研究人员还重点介绍了"声激活"工程活材料领域的最新创新，例如编程携带热开关以实现精确载荷释放的细菌。通过将材料工程学与肿瘤免疫学相结合，本综述描绘了下一代声免疫治疗平台的路线图，该平台有望克服GBM治疗中的全身性和局部性障碍。
1. 引言
胶质母细胞瘤（GBM）仍然是成人中最 prevalent 且致死率最高的原发性恶性脑肿瘤，约占所有中枢神经系统恶性肿瘤的近半数。尽管美国的年龄调整发病率估计为每10万人3.2例，但人口统计学分析显示老年人群和某些分子亚型中存在轻微增长趋势。跨人群中一致的男性优势（男女比例≈1.6:1）暗示了性别相关生物学因素，这些因素尚未被充分探索。尽管分子分型取得了进展，但生存结果仍然停滞——中位总生存期（OS）为14–17个月，5年OS低于7%——揭示了临床前创新与临床获益之间的系统性差距。此外，基于登记的真实世界结果往往比临床试验数据更差，这是由于合并症、皮质类固醇依赖和社会经济差异所致，凸显了机制驱动、个性化策略的紧迫性。
尽管经过数十年的研究，GBM仍然是神经肿瘤学领域的重大挑战，改善患者预后的进展有限。包括最大程度安全手术切除、放疗和替莫唑胺（TMZ）化疗在内的当前标准治疗仅提供适度的生存获益。不幸的是，GBM的高度侵袭性、对传统治疗的耐药性以及免疫抑制性肿瘤微环境（TME）的存在，使其成为最难治疗的癌症之一。
尽管免疫疗法在黑色素瘤和血液系统肿瘤中产生了变革性影响，但在GBM中却产生了令人失望的结果，原因在于深刻的免疫抑制机制。GBM通常表现为低肿瘤突变负荷（TMB <2/Mb）、MHC-I表达缺失、髓源性抑制细胞（MDSCs）和M2极化TAMs的富集，以及"免疫冷"niche的区室化。STAT3和TGF-β通路的持续激活抑制细胞毒性T淋巴细胞（CTLs）的primed过程，而VEGF驱动的血管生成促进免疫排除。PD-1/PD-L1阻断在未选择的GBM队列中的客观缓解率低于10%，获益短暂，凸显了需要理性设计的多轴免疫再激活策略，而非直接移植其他癌症的方案。免疫检查点阻断（ICB）和过继T细胞疗法等技术在增强抗肿瘤免疫方面已显示出成功。此外，与免疫疗法相关的免疫相关不良事件（irAEs）可从轻微到危及生命不等，使其临床应用复杂化。这凸显了不仅需要解决现有疗法局限性的创新策略，还需要利用新模态来克服GBM独特障碍的策略。
一个 promising 的探索领域是声免疫疗法，这是一种使用超声波刺激或增强免疫反应的创新技术。超声波，特别是生物医学FUS，相对于其他外部触发因素（如光和X射线）具有多种优势，包括 superior 的组织穿透性、精确性和安全性。它可以通过热和非热效应诱导癌细胞的ICD，调控TME，并激活抗癌免疫。近期研究进一步证明了将超声波与功能生物材料相结合以放大治疗效果的潜力，为癌症免疫疗法提供了新前沿。与可能受肿瘤异质性限制的TME靶向方法不同，基于超声波的疗法提供更优的时空控制，能够以最小侵入性精确治疗深部肿瘤。
尽管先前的综述已广泛描述了外周实体瘤中的声免疫疗法，但针对中枢神经系统的全面分析仍然 scarce。本综述的独特贡献在于其特别关注为GBM量身定制的声学物理学、肿瘤免疫学和先进生物材料的融合。研究人员明确阐述了超声响应性平台，包括工程活材料和功能化纳米载体，如何独特地定位于非侵入性突破BBB并重极化深度免疫抑制的GBM微环境。通过阐明这些机制，本工作提供了连接材料科学与神经肿瘤学的新型转化路线图。本综述的一个定义性创新在于超越纯粹的临床总结，转向以材料为中心的分析，探讨先进声敏剂中的声阻抗失配和电子-空穴对分离如何可被精确调节以适应GBM微环境——这种生物物理学细节在现有神经肿瘤学文献中 largely 缺失。
2. 文献检索方法
研究人员进行了全面的文献检索，以识别声免疫疗法、生物材料和GBM相关研究。主要数据库包括PubMed、Web of Science和Scopus。检索策略结合了以下关键词的组合："GBM"、"声免疫疗法"、"FUS"、"ICD"、"SDT"、"BBB"和"生物活性材料"。检索限定为2020年1月至2026年3月期间发表的英文文章，与工程活材料和纳米载体的最新进展保持一致。主要关注非CNS肿瘤模型的文章被选择性地纳入，仅当所描述的生物材料平台展示了高度可转化至GBM微环境的屏障规避或深部组织免疫调控机制时。
3. GBM患者的标准治疗
新诊断GBM的标准治疗（SoC）仍是最大程度安全手术切除后，继以同步和辅助替莫唑胺（TMZ）化疗的放射治疗（Stupp方案）。对于符合条件的患者，还可加入肿瘤治疗电场（TTFields），这是一种非侵入性区域疗法，通过破坏有丝分裂纺锤体来诱导凋亡。尽管采取了这种积极的多模式方法，几乎所有GBM患者均经历肿瘤复发，中位总生存期很少超过15–18个月。
标准化疗药物如TMZ在GBM患者中显示出 severely 有限的治疗疗效，主要由于药物难以穿越BBB和脑-肿瘤屏障（BTB）。 crucially，这些标准治疗无法逆转GBM的深度免疫抑制性TME——其特征为丰富的M2样TAMs和稀少的效应T细胞——这构成了ICB等新型治疗的关键障碍。
4. GBM治疗的治疗挑战
有效GBM疗法的开发受到其独特特征的显著阻碍，包括其在大脑中的挑战性解剖位置、BBB的存在、显著的肿瘤异质性、高度侵袭性以及免疫抑制性TME。这些因素共同导致GBM的不良预后，使其成为最难有效治疗的癌症之一。
4.1. 解剖位置
大脑在控制运动、语言、视觉、记忆和其他基本功能中的关键作用限制了GBM的手术治疗选择。只有当肿瘤位于非功能区且手术不会造成永久性神经功能缺损时，切除才是可行的。
4.2. 血脑屏障
BBB是由脑内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞足突形成的高度选择性屏障，紧密调控分子和细胞进入大脑，确保神经元保护。虽然BBB有效 shield 大脑免受有害因子侵害，但它也阻碍了大多数全身性治疗药物向GBM的递送。仅约1%的化疗药物能够穿越BBB。
4.3. 肿瘤异质性和可塑性
GBM表现出广泛的间和肿瘤内异质性，以核心信号网络中的分子改变为特征——包括p53、受体酪氨酸激酶（RTK）/PI3K和RB细胞周期调节通路——这导致了向神经前体型、经典型和间充质型转录亚型的 proposed 分类。尽管分子分型取得了进展，但这些分类由于GBM的动态和异质性本质而临床效用有限。
4.4. 侵袭性
GBM的高度侵袭性是造成治疗抵抗和复发的主要因素。肿瘤细胞通过重塑细胞外基质（ECM）、利用谷氨酸释放、钙信号和细胞骨架变化来浸润周围脑组织。
4.5. 免疫抑制性肿瘤微环境
历史上被视为"免疫特权"的大脑，现在被更好地理解为"免疫独特"，具有与其他器官相比独特的免疫特性。大脑的免疫监视由一种特殊的淋巴引流系统——即胶质淋巴系统——所促进，它将脑脊液（CSF）以及免疫细胞和溶质从中枢神经系统（CNS）运输至深部颈淋巴结。
在GBM患者中，全身性和局部性免疫抑制 prominent。全身性方面，与健康个体相比，GBM患者表现出较小的二级淋巴器官、外周血单核细胞上MHC-II表达降低以及T细胞淋巴细胞减少。部分原因是胸腺萎缩减少了T细胞产生，以及S1P1的丧失导致T细胞在骨髓中的sequestration。局部而言，BBB在GBM中部分被破坏，允许免疫细胞浸润TME。然而，TME本身高度异质，包含癌细胞、信号分子、ECM、异常脉管系统、脑驻留非免疫细胞（如星形胶质细胞和神经元）以及各种免疫细胞。TAMs采取肿瘤支持表型，分泌抗炎细胞因子并下调抗原呈递能力。MDSCs和调节性T细胞（Tregs）进一步通过抑制效应T细胞活性促进免疫逃逸。肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）对抗肿瘤免疫 crucial，但往往功能失调或耗竭，限制其对GBM细胞的效力。
5. 肿瘤的声免疫调控
为声免疫疗法提供 robust 的技术基础，有必要阐明FUS、生物材料和生物组织之间的物理相互作用。这些相互作用主要由三种物理机制调控：热效应、声空化和声辐射力（ARF）。
热效应源于组织和声敏剂对声能的吸收，将机械波能转化为热能。通过调节声学参数，这种能量可被精确调控，从增强血管通透性和免疫细胞 perfusion 的温和热疗，到直接诱导ICD和DAMPs释放的高强度凝固性坏死。
声空化——声场中气体微泡的形成、振荡和潜在 collapse—— plays a pivotal role。它分为稳定空化和惯性空化。稳定空化诱导局部微流和流体剪切应力，这些现象对可逆性破坏内皮紧密连接和打开BBB critical。相反，惯性空化涉及微泡的暴力 collapse，产生强烈的局部冲击波和极端微环境温度。这种物理破坏不仅促进工程化纳米载体的深部组织穿透，还直接驱动SDT特征性的ROS生成。
ARF exert 单向动量传递，沿波传播方向推动流体和颗粒。与机械剪切应力一起，这些力可以对抗升高的间质液压力，引发免疫细胞的转录和功能变化——例如将TAMs从抗炎（M2样）极化为促炎（M1样）表型。
关于热机制，区域温度的 rapid rise 是高强度聚焦超声（HIFU）的主要原理。超声触发肿瘤消融的过程通常在焦区诱导凝固性坏死，在过渡区诱导凋亡和ICD，释放肿瘤碎片如TAAs以及钙网蛋白和热休克蛋白（HSPs）等生物活性分子。这些刺激树突状细胞（DCs）、CTLs和CD4+ T辅助（Th）细胞的抗肿瘤活性。然而，HIFU诱导的消融 alone 往往不足以克服免疫抑制和再侵袭，需要将HIFU与ICB通过PD-1抗体联合以增强治疗效果。
关于温和热疗的产生，FUS治疗的 additional advantage 在于由此增加的血管通透性可能改善免疫细胞向肿瘤的浸润。热疗还被证明可促进血液和淋巴流动，增强免疫调节剂的治疗 profile。然而，超声产生的热量可能导致TAAs变性，可能降低其对免疫系统的影响。
通过调整超声的声学参数，还可以产生非热效应并应用于具有某些免疫调节作用的癌症治疗。Notably，空化是一种重要的非热现象。与热效应类似，空化可诱导细胞坏死、破坏肿瘤组织，并触发TAAs和DAMPs的释放，导致进一步的免疫细胞激活。组织碎裂术，一种基于 cavitation bubble 生成的治疗性FUS技术，可通过增加DCs、CTLs和中性粒细胞的数量来 mitigating 免疫抑制性TME，在小鼠黑色素瘤模型中产生全身效应如 abscopal 效应。
此外，空化与其他机械力（如机械剪切应力）可增强肿瘤内异常脉管系统的通透性，有益于免疫细胞浸润和免疫制剂递送。这一特性在GBM中得到充分利用，其 dense BBB 阻碍了药物递送。Furthermore，空化可引发免疫细胞的转录和功能变化以促进抗肿瘤免疫；空化核通常在此过程中发挥作用。例如，在用超声和微泡（MBs）处理的小鼠原位胰腺癌模型中，TAM极化从抗炎（M2样）表型转变为肿瘤抑制、促炎（M1样）表型。
为充分阐明这种超声驱动巨噬细胞重极化背后的机制，有必要认识到声学机械力与机械转导通路之间的 interplay。声辐射力和空化诱导的剪切应力可直接刺激巨噬细胞膜上的机械敏感离子通道，如Piezo1。这种机械激活 trigger 大量细胞内钙 influx，随后激活下游促炎信号级联，包括NF-κB和STAT1通路，驱动从肿瘤促进M2表型到肿瘤杀伤M1表型的转录转变。Furthermore，SDT诱导的肿瘤细胞ICD释放丰富的DAMPs。这些DAMPs通过巨噬细胞上的模式识别受体发挥作用，创造协同性生化微环境，进一步巩固这种超声介导的M1极化。
空化对SDT也 essential，SDT是一种涉及FUS的新兴策略。通过使用声敏剂与超声照射，可在肿瘤周围产生过量ROS以诱导ICD，如小鼠4T1和CT26肿瘤的 regression 所证明。Conversely，温和ROS允许控制脂质过氧化强度，使 cavitation 后的细胞膜得以修复并恢复其完整性。
最近，热和非thermal方法的免疫调节效应均得到研究。例如，一种称为机械HIFU（M-HIFU）的新技术已被开发。与传统HIFU相比，M-HIFU增强DCs的积累、T细胞的浸润和TAMs的M1极化，同时降低转移风险。
6. 新型声免疫治疗策略
由于声免疫疗法在神经肿瘤学中尚处于 nascent 阶段，利用先进生物材料的大量基础证据来源于非CNS肿瘤模型，如乳腺和胰腺癌。将这些外围模型转化至GBM至关重要。具有严重缺氧和 dense 促纤维增生间质的外周实体瘤——如胰腺导管腺癌——呈现出与GBM的 dense ECM 和深度免疫抑制niche概念上类似的物理和免疫学屏障。Furthermore，驱动声免疫调控的基础声学物理，包括稳定空化和ROS生成，广泛适用于各种组织类型。
6.1. 声响应性免疫调节剂释放
一种新兴方法涉及能够携带和释放免疫调节剂（如小分子免疫相关分子或大分子抗体）的超声响应性药物递送系统。该策略通常依赖 cavitation nuclei，可改善血管内皮层和细胞膜的通透性（声孔化），增强治疗递送和临床结局。例如，用抗CD11b抗体修饰的微泡（ncMBs）用于装载cGAMP，以在超声激活下靶向巨噬细胞和DCs的cGAS-STING通路。体内研究显示，在荷乳腺癌小鼠中瘤内注射ncMBs后 sonication，可 primed 先天和适应性免疫，抑制肿瘤发展和再挑战。
此外，将免疫佐剂整合入疫苗，超声激活原位疫苗的开发显示出前景。例如，装载R837的脂质体PEOz-Lip@R837癌症疫苗在超声空化下于荷胰腺癌小鼠中产生TAAs。TAA和R837共同促进DC成熟并下调多种免疫检查点分子。
从材料设计角度，这些微泡和脂质基载体的适用性在于其相对于周围血液和组织的 unique 声阻抗失配。可压缩的气体核心和脂质壳的粘弹性使其成为高效的声能转换器。暴露于FUS时，生物材料壳层的特定机械阈值通过稳定或惯性空化被突破，允许在肿瘤微环境内精确、时空控制地释放封装的免疫调节剂，这是传统全身递送无法实现的成就。
6.2. 声动力-免疫疗法
SDT是一种基于ROS的新型非侵入性治疗。多功能声敏剂的进展促进了声动力-免疫疗法方法的发展。声敏剂的声动力激活主要 hinge on 惯性空化现象。
研究人员已证明，尽管最终转化目标是GBM微环境，但 foundational SDT机制经常在外周模型中验证，因为其 dense 促纤维增生间质和严重缺氧有效模拟了GBM的物理和免疫学屏障。早期 co-delivery 系统将声敏剂和免疫调节剂装载入纳米载体，如MBs、脂质体、介孔二氧化硅和水凝胶。典型例子是 encapsulate 声敏剂HMME和R837的血卟啉单甲醚（HMME）/R837@Lip脂质体。这种 co-delivery 系统从SDT产生肿瘤细胞碎片，引发原位疫苗样效应和免疫反应。
近年来，生物材料组分诱导的免疫效应受到关注。无机材料可释放免疫刺激性金属离子。例如，Mn
2+可 primed cGAS-STING通路。Mn基酚类纳米佐剂（PIMS NPs）被构建以结合SDT介导的ICD与Mn
2+促进的cGAS-STING通路激活，导致肿瘤引流淋巴结中成熟CD86
+ DCs百分比的显著增加。这些声敏剂的设计，特别是半导体聚合物纳米颗粒（SPINs）和金属-酚网络，代表了材料工程的范式转变。其 efficacy fundamentally rooted in 其精确的物理化学性质，如 narrowed 带隙和声学空化下优化的电子-空穴对分离能力。
其他生物活性金属基生物材料，如镁、钙、钼和锌基材料，已在某些癌症模型中显示出"声-金属免疫疗法"的有效性。治疗气体（如H
2、NO、H
2S）调控免疫反应的机制仍在探索中。用作声敏剂的硫化钛纳米片产生H
2S，抑制小鼠4T1肿瘤中MDSCs的积累，从而缓解免疫抑制性TME。细胞外囊泡（EVs）和细菌外膜囊泡（OMVs）也被用于介导声动力-免疫疗法。
癌细胞已进化出逃逸免疫监视的机制，如募集免疫抑制细胞群和上调负调节通路中的分子。这抑制了声动力-免疫疗法的治疗效果。多项研究显示，SDT后小鼠癌细胞、DCs和TAMs上的PD-L1表达上调，可能与免疫耐受相关。在声动力治疗后注射ICIs如αPD-L1、αPD-1或抗CTLA-4抗体，与仅SDT治疗的小鼠相比，肿瘤发展和转移 regressed。
当前趋势是使用微生物或细胞来对抗肿瘤。细菌可通过其表面和细胞内组分有效 elicit 先天和适应性免疫反应。研究推进了工程化细菌靶向实体瘤和激活抗肿瘤免疫反应的发展。结合基因工程，修饰细菌可响应超声波，释放抗体和细胞因子等治疗化合物。例如，携带温度驱动遗传状态开关Tcl42的工程化大肠杆菌Nissle 1917（EcN）增加对FUS诱导热疗（42°C）的敏感性，通过静脉注射在 mouse A20 肿瘤部位积累，并在超声暴露下释放αCTLA-4和αPD-L1抗体，介导ICB。
将工程化细菌视为"活生物材料"需要对其热响应特性有透彻理解。温度驱动遗传状态开关（Tcl42）的整合将细菌转变为高度精确的热传感器。证明这种设计合理性的 fundamental property 是抑制蛋白在42°C阈值处的急剧构象转变——这是FUS热效应可轻易安全产生的温度。这种活材料设计提供了无与伦比的、自我复制的递送载体，其中生物"载荷"在原地合成，完美地将合成生物学与声学物理学相结合，以克服传统纳米颗粒载体的快速降解局限性。
7. 声免疫疗法的当前局限性
声免疫疗法在临床前癌症治疗中显示出 promising 结果，重要的临床工作正在进行中以探索其效果。例如，一项将FUS消融与免疫疗法（pembrolizumab，PD-1抑制剂）联合的I期临床试验正在进行中，用于晚期实体瘤患者，包括黑色素瘤和乳腺癌。然而，这些approaches仍面临与当前医学超声技术和免疫疗法固有限制相关的众多挑战。
7.1. 相互作用的不确定性
某些声疗过程背后的机制仍不清楚。尽管超声已被证明可通过热和/或非热效应消除癌细胞，促进TAAs和DAMPs的释放以激活后续免疫反应，但理解超声波与细胞（特别是免疫细胞）之间的直接相互作用具有挑战性，仅代表所涉及复杂性的一小部分。需要进一步研究以提供声免疫调控的见解。
7.2. 安全风险
癌症声疗的一个理论风险是一些存活的癌细胞可能迁移至血管流。在某些情况下也可能发生血管坏死和血栓形成等并发症。此外，超声可能对如HIFU治疗产生的皮肤烧伤等健康组织造成意外损伤。
使用声生物材料介导声免疫疗法时，必须考虑急性 and 慢性毒性（如有机声敏剂的光毒性）、TAA降解困难或过度强免疫原性等固有问题。将工程化细菌和细胞引入人体宿主也可能导致 pathogenesis。另一挑战是大多数声免疫制剂为静脉给药，可能导致剂量过高和生物分布不理想等问题。
8. 结论性评述
GBM由于其独特特征——包括高度免疫抑制性TME、显著异质性和保护性BBB——而成为肿瘤学中的重大挑战。这些因素限制了传统疗法和免疫疗法的疗效。声免疫疗法作为一种新兴模态，通过利用超声诱导ICD、调控TME和增强治疗剂递送，为解决这些限制提供了 promising 途径。
声免疫疗法的潜力在于其克服与GBM相关物理和生物学障碍的能力。超声的热和非热效应可破坏TME，触发TAAs释放，并通过激活DCs和CTLs增强免疫反应。此外，超声敏感生物材料和声敏剂的进展为将此技术与免疫检查点抑制剂和其他免疫调节剂整合提供了机会，可能放大抗肿瘤疗效。
然而，声免疫疗法面临其自身挑战。GBM的异质性是一个重要障碍，因为超声效应可能在不同肿瘤区域变化，导致不一致的治疗结局。超声诱导机械力、热效应和免疫细胞动力学之间的复杂 interplay 需要进一步阐明以优化治疗方案。此外，潜在风险如脱靶组织损伤、血栓形成或免疫相关不良事件，需要严格的安全性评估。
未来研究应优先以下方向以推进声免疫疗法在GBM中的临床转化：机制研究、参数优化、与生物材料的整合、联合治疗，以及 preclinical 和临床验证。声免疫疗法为解决GBM带来的独特挑战提供了变革性方法。尽管仍存在重大障碍，但这种创新技术与免疫疗法和材料科学进展的整合具有重新定义GBM治疗范式的潜力。当前综合证据的一个 significant 局限是许多先进纳米平台缺乏在 orthotopic GBM 模型中的直接实验验证。虽然外围模型提供了机制蓝图，但人脑独特的神经血管和免疫复杂性仍然 under-represented，这可能影响所报告治疗结局的直接可转化性。
