Immunogenic cell death (ICD)-associated immunogenicity can be evoked through reactive oxygen species (ROS) produced via endoplasmic reticulum (ER) stress. In this study, we generate a double ER-targeting strategy to realize photodynamic therapy (PDT) photothermal therapy (PTT) immunotherapy. This nanosystem consists of ER-targeting pardaxin (FAL) peptides modified-, indocyanine green (ICG) conjugated- hollow gold nanospheres (FAL-ICG-HAuNS), together with an oxygen-delivering hemoglobin (Hb) liposome (FAL-Hb lipo), designed to reverse hypoxia. Compared with non-targeting nanosystems, the ER-targeting naosystem induces robust ER stress and calreticulin (CRT) exposure on the cell surface under near-infrared (NIR) light irradiation. CRT, a marker for ICD, acts as an 'eat me' signal to stimulate the antigen presenting function of dendritic cells. As a result, a series of immunological responses are activated, including CD8+ T cell proliferation and cytotoxic cytokine secretion. In conclusion, ER-targeting PDT-PTT promoted ICD-associated immunotherapy through direct ROS-based ER stress and exhibited enhanced anti-tumour efficacy.

We report dual-functional hollow gold nanospheres (HAuNS, ∼40-nm diameter) capable of mediating both photothermal ablation of cancer cells and drug release upon near-infrared (NIR) light irradiation. As high as 63% DOX by weight (∼1.7 μg DOX/μg Au) could be loaded to polyethylene glycol (PEG)-coated HAuNS since DOX was coated to both the outer and the inner surfaces of HAuNS. Irradiation with NIR laser induced photothermal conversion, which triggered rapid DOX release from DOX-loaded HAuNS. The release of DOX was also pH-dependent, with more DOX released in aqueous solution at lower pH. Significantly greater cell killing was observed when MDA-MB-231 cells incubated with DOX-loaded HAuNS were irradiated with NIR light, attributable to both HAuNS-mediated photothermal ablation and cytotoxicity of released free DOX.

A convenient and feasible therapeutic strategy for malignant and metastatic tumors was constructed here by combining photothermal ablation (PTA)-based laser immunotherapy with perdurable PD-1 blockade immunotherapy. Hollow gold nanoshells (HAuNS, a photothermal agent) and AUNP12 (an anti PD-1 peptide, APP) were co-encapsulated into poly(lactic- co-glycolic) acid (PLGA) nanoparticles. Unlike monoclonal PD-1/PD-L1 antibodies, PD-1 peptide inhibitor shows lower cost and immunotoxicity but needs frequent administration due to its rapid clearance in vivo. Our data here showed that the formed HAuNS- and APP-loaded PLGA nanoparticles (AA@PN) could maintain release periods of up to 40 days for the peptide, and a single intratumoral injection of AA@PN could replace the frequent administration of free APP. After the administration of AA@PN and irradiation with a near-infrared laser at the tumor site, an excellent killing effect on the primary tumor cells was achieved by the PTA. The nanoparticles also played a vaccine-like role under the adjuvant of cytosine-phospho-guanine (CpG) oligodeoxynucleotide and generated a localized antitumor-immune response. Furthermore, sustained APP release with laser-dependent transient triggering could induce the blockage of PD-1/PD-L1 pathway to activate T cells, thus subsequently generating a systemic immune response. Our data demonstrated that the PTA combined with perdurable PD-1 blocking could efficiently eradicate the primary tumors and inhibit the growth of metastatic tumors as well as their formation. The present study provides a promising therapeutic strategy for the treatment of advanced cancer with metastasis and presents a valuable reference for obtaining better outcomes in clinical cancer immunotherapy.

A therapeutic tumor vaccine is a promising approach to cancer treatment. One of its strategies is to treat patient-derived tumor cells in vitro and then administer them in vivo to induce an adaptive immune response and achieve cancer treatment. Here, we want to explore the possibility of converting cancer tissue into a therapeutic tumor vaccine through induced immunogenic cell death (ICD) in situ. We loaded indocyanine green (ICG) into liposomes (ICG-Lipo) and modified it with the pardaxin peptide to realize an endoplasmic reticulum (ER)-targeting function (Par-ICG-Lipo). A microfluidic technique was developed for loading ICG, a water-soluble molecule, into liposomes with a high encapsulation efficiency (greater than 90%). Under near-infrared (NIR) irradiation, ER-targeting photodynamic therapy (PDT) induced by Par-ICG-Lipo could promote the release of danger-signaling molecules (DAMPs) and tumor antigens (TAAs) in vivo, which significantly enhanced the immunogenicity in vivo and thus stimulates a strong antitumor immune response. This process would be further amplified by adopting dendritic cells. In general, our strategy transformed in situ tumor cells into therapeutic vaccines by ER-targeting PDT, which could provide a clinically applicable and effective approach for cancer treatment.

M2-tumor associated macrophages (TAMs) play an important role in tumor genesis, progression, and metastasis, and repolarizing M2-TAMs to immune-promoting M1 type is increasingly recognized as a promising strategy against the clinically intractable carcinomas. It is observed that M2 macrophages have a high tropism to the tumor hypoxic area, with their endoplasmic reticulum (ER) stress-associated IRE1-XBP1 pathway activated to inhibit cell glycolysis, promote oxidative phosphorylation (OXPHOS), and facilitate intracellular lipid accumulation, which in turn shapes the typical phenotypes of M2-TAMs, suggesting that manipulating the ER stress response of M2-TAMs might stand as a breakthrough for antitumor therapy. However, current attempts to repolarize M2 cells remain limited and are greatly challenged by the hypoxic nature of tumors. Also, the high level of reactive oxygen species (ROS) in the tumor microenvironment (TME) is favorable for the polarization of M2-TAMs. Here, we encapsulated KIRA6, an inhibitor of the IRE1-XBP1 pathway, into a reductive nanoemulsion containing α-tocopherol. Our α-T-K had dual inhibitory effects on the ER stress and oxidative stress. Both in vitro and in vivo experiments suggested that α-T-K effectively reprogrammed M2 macrophages even under hypoxia, achieved by increasing glycolysis and suppressing fatty acid oxidation (FAO). In addition, our data revealed that α-T-K not only delayed tumor growth but elevated the curative effect of PD-1 antibody. Our research demonstrated that simultaneous inhibition of ER stress and oxidative stress could effectively repolarize M2-TAMs under hypoxia, which not only filled the current gap in regulating the biological repolarization of macrophages under hypoxia but provided a meaningful reference for the clinical immunotherapy of sensitized anti-PD-1.

The tumor microenvironment (TME) is characterized by several immunosuppressive factors, of which weak acidity and l-arginine (l-arg) deficiency are two common features. A weak acidic environment threatens the survival of immune cells, and insufficient l-arg will severely restrain the effect of antitumor immune responses, both of which affect the efficiency of cancer treatments (especially immunotherapy). Meanwhile, l-arg is essential for tumor progression. Thus, two strategies, l-arg supplementation and l-arg deprivation, are developed for cancer treatment. However, these strategies have the potential risk of promoting tumor growth and impairing immune responses, which might lead to a paradoxical therapeutic effect. It is optimal to limit the l-arg availability of tumor cells from the microenvironment while supplying l-arg for immune cells. In this study, we designed a multivesicular liposome technology to continuously supply alkaline l-arg, which simultaneously changed the acidity and l-arg deficiency in the TME, and by selectively knocking down the CAT-2 transporter, l-arg starvation of tumors was maintained while tumor-killing immune cells were enriched in the TME. The results showed that our strategy promoted the infiltration and activation of CD8+ T cells in tumor, increased the proportion of M1 macrophages, inhibited melanoma growth, and prolonged survival. In combination with anti-PD-1 antibody, our strategy reversed the low tumor response to immune checkpoint blockade therapy, showing a synergistic antitumor effect. Our work provided a reference for improving the TME combined with regulating nutritional competitiveness to achieve the sensitization of immunotherapy.

Abstract Vaccination is a widely‐accepted resort against the invasion or proliferation of bacteria, parasites, viruses, and even cancer, which accounts heavily on an active involvement of CD8 + T cells. As one of the pivotal strategies taken by dendritic cells (DCs) to promote the responsiveness of CD8 + T cells to exogenous antigens, cross presentation culminates in an elevated overall host defense against cancer or infection. However, the precise mechanisms regulating such a process remains elusive, and current attempts to fuel cross presentation usually fail to exert efficiency. Here, model antigen OVA‐loaded, endoplasmic reticulum (ER)‐targeting cationic liposome (OVA@lipoT) is developed and characterized with a booster effect on the activation and maturation of DCs. Moreover, OVA@lipoT pulsed DCs exhibit overwhelming superiority in triggering cytotoxic T lymphocyte response both in vivo and in vitro. Data reveal that lipoT alters the intracellular trafficking and presenting pathway of antigen, which promotes cross presentation and bears close relationship to the ER‐associated degradation (ERAD). These results may drop a hint about the interconnectivity between cross presentation and ER‐targeted antigen delivery, provide extra information to the understanding of ERAD‐mediated cross priming, and even shed new light on the design and optimization of vaccines against currently intractable cancers or virus‐infection.

Local hypoxia in solid malignancies often results in resistance to radiotherapy (RT) and chemotherapy (CT), which may be one of the main reasons for their failure in clinical application. Especially, oxygen is an essential element for enhancing DNA damage caused by ionizing radiation in radiotherapy. Here, two biomimetic oxygen delivery systems were designed by encapsulating hemoglobin (Hb) alone into a liposome (Hb-Lipo) or co-encapsulating Hb and doxorubicin (DOX) into a liposome (DOX-Hb-Lipo). Our data indicated that both Hb-Lipo and DOX-Hb-Lipo could effectively alleviate hypoxia in tumors. We demonstrated that RT plus tumor-targeting delivery of oxygen mediated by Hb-Lipo could significantly overcome the tolerance of hypoxic cancer cells to RT, showing significantly enhanced cancer-cell killing and tumor growth inhibition ability, mainly attributing to hypoxia alleviation and increased reactive oxygen species production under RT in cancer cells. Furthermore, a melanoma model that was quite insensitive to both RT and CT was used to test the efficacy of chemoradiotherapy combined with hypoxia alleviation. RT plus Hb-Lipo only caused a limited increase in antitumor activity. However, extremely strong tumor inhibition could be obtained by RT combined with DOX-Hb-Lipo-mediated CT, attributed to radio-triggered DOX release and enhanced immunogenic cell death induced by RT under an oxygen supplement. Our study provided a valuable reference for overcoming hypoxia-induced radioresistance and a useful therapeutic strategy for cancers that are extremely insensitive to chemo- or radiotherapy.