Novel nanomedicine-based approaches to restore the anti-tumour activity of the immune system in glioblastoma patients

The aggressive nature of glioblastoma (GBM), a malignant tumour characterised by extensive tumour cells infiltration and vascularisation, leads to poor prognosis and overall survival of less than 15 months; as a result, there is an urgent need for the development of new targeted therapies. Immunotherapy has emerged as a promising approach for cancer treatment, offering selective targeting of cancer cells and durable effects. However, in the context of glioblastoma, initial approaches with immune checkpoint inhibitors failed to prove a significant therapeutic activity, probably because of a lack of attention to immune suppressive mechanisms. In fact, the GBM tumour microenvironment creates an immunosuppressive context, allowing cancer cells to evade the immune surveillance of the immune system. Overcoming these obstacles is a necessary step for the effective implementation of immunotherapy, and it is clear that a single agent-based therapy will be insufficient to overcome GBM resistance. Nanomedicine offers a potential solution to overcome the poor solubility issues of some drugs and furthermore provides a selective targeting of cell populations in cancer. In this study, two nanosystems were developed for the delivery of two different drugs: polymeric nanoparticles (NPs) for the delivery of the chemotherapeutic oxaliplatin analogue, DACHPt; and oil-in-water nanoemulsions loaded with a Heme oxygenase-1 inhibitor, Zinc Protoporphyrin IX (ZnPPIX). Both approaches aim at relieving immune suppression induced by myeloid immune suppressive cells present in GBM patients. Regarding the polymeric system, our studies demonstrate that DACHPt-loaded NPs can target both myeloid immunosuppressive and tumour cells, providing in this way a potential novel nanomedicine-based approach that can induce immunogenic cell death (ICD). We demonstrated the efficacy of NPs-mediated drug delivery in inducing immunogenic cell death, a condition to re-activate the anti-tumoral immune response while reducing toxic effects associated with the free-drug treatment. Our previous studies indicated that inhibiting Heme oxygenase-1, an enzyme with a key role in iron metabolism and immunosuppressive activity of BMDMs, could be a promising therapeutic strategy for their reprogramming towards a more pro-inflammatory and anti-tumour activity. In this respect, the nanoemulsions encapsulating ZnPPIX showed better efficacy in targeting macrophages and modulating the expression of CD163, a marker associated with anti-inflammatory and immune suppressive activity, when compared to the treatment with the free drug alone.

La natura aggressiva del glioblastoma (GBM), caratterizzato da un'estesa infiltrazione delle cellule tumorali e vascolarizzazione, porta a una prognosi molto sfavorevole, con una sopravvivenza complessiva inferiore a 15 mesi per questi pazienti; di conseguenza, c'è un urgente bisogno di sviluppare nuove terapie mirate. Il microambiente tumorale del GBM crea un contesto immunosoppressivo, che consente alle cellule tumorali di sfuggire all’azione del sistema immunitario. L'immunoterapia si è rivelata un approccio promettente nel trattamento dei tumori, offrendo un targeting selettivo delle cellule tumorali ed effetti duraturi. Tuttavia, nel contesto del glioblastoma, gli approcci iniziali con gli inibitori dei checkpoint immunitari non sono riusciti a dimostrare un'attività terapeutica significativa, probabilmente a causa di una mancanza di attenzione ai meccanismi di soppressione immunitaria. Superare questi ostacoli è un passo necessario per una corretta implementazione dell'immunoterapia, ed è chiaro che una terapia basata su un singolo agente sarà insufficiente per superare la resistenza del GBM. La nanomedicina offre una potenziale soluzione per superare i problemi di scarsa solubilità di alcuni farmaci e, inoltre, consente un targeting selettivo delle popolazioni cellulari nel cancro. In questo studio sono stati sviluppati due nanosistemi per la somministrazione di due diversi farmaci: nanoparticelle polimeriche (NP) per la somministrazione di dicloro (1,2-diamminocicloesano) platino II (DACHPt), un analogo del chemioterapico oxaliplatino; e nanoemulsioni a base oleosa incapsulate con un inibitore dell'enzima eme-ossigenasi 1, la zinco protoporfirina (ZnPPIX). Entrambi gli approcci mirano ad alleviare la soppressione immunitaria indotta dalle cellule mieloidi immunosoppressive presenti nei pazienti con GBM. Per quanto riguarda il sistema polimerico, i nostri studi dimostrano che le NP con DACHPt possono mirare sia le cellule immunosoppressive mieloidi che le cellule tumorali, offrendo così un potenziale nuovo approccio di nanomedicina in grado di indurre la morte cellulare immunogenica (ICD) e modulare la risposta immunitaria anti-cancro nei pazienti affetti da glioblastoma. Studi precedenti nel nostro laboratorio hanno dimostrato che l'inibizione dell'enzima eme-ossigenasi 1, un enzima con un ruolo chiave nel metabolismo del ferro e nell'attività immunosoppressiva dei macrofagi associati al glioblastoma, potrebbe essere una promettente strategia terapeutica per la loro riprogrammazione verso un fenotipo cellulare più pro-infiammatorio e immunogenico. In questa prospettiva, le nanoemulsioni oggetto di questo studio e contenenti ZnPPIX hanno mostrato una maggiore efficacia nel bersagliare questi macrofagi e nel modulare l'espressione di CD163, un marker associato all’attività antinfiammatoria e immunosoppressiva, rispetto al trattamento con il solo farmaco libero.