近期，中科院上硅所陳航榕研究員和復旦腫瘤醫院宋少莉教授團隊在 Bioactive Materials 上聯合發表研究文章：雙響應性類生態位水凝膠可實現成膠觸發癌癥化療和抗腫瘤轉移。作者設計合成了一種新型功能化殼聚糖材料，其具有氧氣響應成膠/活性氧響應釋藥能力，可用于構建強化腫瘤乏氧水平的類生態位水凝膠，重塑并加強腫瘤乏氧微環境，并載藥抑制腫瘤轉移。
研究內容簡介
近年來，可以重新塑造腫瘤微環境（TME）以實現癌癥免疫治療的納米工程化免疫生態位（niche）已經逐漸成為研究熱點。在這類材料體系中，納米免疫生態位可作為免疫藥物的遞送/存儲平臺，通過將免疫抑制性TME轉變成免疫支持性TME可顯著提高免疫治療效果。而類似地，由人工水凝膠材料構成的工程化生態位則可以模擬重建天然細胞外基質，被認為是仿生三維天然微環境的新型范式。在這些研究中，人們通過探索水凝膠基生態位的物化參數（包括細胞因子和力學性質），實現了對細胞行為的可控調節。因此，綜合上述研究成果，人工生態位作為高度可定制平臺，有望為乏氧激活藥物（HAPs）觸發的化療提供理想的三維乏氧微環境。
受到工程化生態位的啟發，作者設計了一種新型功能化殼聚糖結構（CS-FTP），可用于構建可注射刺激響應性水凝膠基生態位類似物（CS-FTP-gel）。CS-FTP以殼聚糖作為骨架，共軛接枝了氧氣響應片段和活性氧（ROS）響應片段。當與漆酶混合注射進入腫瘤時，CS-FTP可被漆酶催化并與氧氣反應形成交聯結構，在清除氧氣的同時還能原位形成水凝膠。因此，這一過程可誘發加強腫瘤微環境的乏氧水平，從而有利于HAP發揮化療作用。此外，通過ROS響應片段，CS-FTP還可連接抗血管生成抑制劑。原位成膠后，腫瘤區域高表達的ROS水平可裂解ROS響應片段，從而釋放抗血管生成抑制劑，以抑制腫瘤血管生成，發揮饑餓療法作用的同時還可以抑制腫瘤轉移。
一、CS-FTP-gel的設計
在CS-FTP的設計中，作者以殼聚糖作為聚合物骨架，在其上接枝了氧氣響應的阿魏酸（FA）片段和ROS響應的酮縮硫醇（TK）片段，形成了一系列殼聚糖分子量不同的功能化聚合物。最后，在TK片段的介導下，抗血管生成抑制劑PAZ被連接到殼聚糖分子骨架上形成最終的CS-FTP。在漆酶的催化作用，CS-FTP上的FA片段可與氧氣反應并相互之間形成二聚體，從而產生聚合物網絡并形成水凝膠結構（圖1 ）。
圖1 CS-FTP-gel的設計及表征
二、CS-FTP-gel的體內外性能
力學性能表征顯示，CS-FTP在漆酶介導下可在幾分鐘內完成溶膠-凝膠轉變形成水凝膠。藥物釋放研究則顯示，乏氧激活前藥AQ4N可與CS-FTP溶液物理混合，并在形成水凝膠后進入聚合物網絡，最終擴散釋放進入腫瘤組織；而在ROS高表達的環境中，CS-FTP上的TK片段可響應ROS發生氧化反應，從而緩慢釋放PAZ。對溶膠-凝膠轉變過程進行溶解氧水平檢測表明，CS-FTP和漆酶混合后可顯著減少溶液中溶解氧含量。
在細胞水平上，作者利用氧氣傳感器，研究證明了，與對照組相比，CS-FTP-gel處理的細胞及其周邊溶解氧呈現急劇下降的趨勢，溶解氧最低可降至1.5 mg L−1。在這樣的乏氧環境下，AQ4N的細胞毒性也得以顯著增強。不僅如此，響應釋放的PAZ還能夠通過與細胞上的VEGFR家族受體結合來抑制內皮細胞的遷移行為，進一步證實了PAZ的抗血管生成效果。在活體動物水平上，作者以乏氧顯像劑18F-fluoromisonidazole (18FMISO)作為探針，采用micro-PET PET/CT顯像手段對CS-FTP-gel的體內促乏氧作用進行了表征。PET顯像觀察到，通過瘤內注射方式在腫瘤區域形成的CS-FTP-gel可有效強化腫瘤的乏氧水平（圖2），為乏氧化療提供理想的微環境。
圖2 CS-FTP-gel在體內的乏氧增強性能
三、CS-FTP-gel的抗腫瘤治療效果
為了檢驗載藥CS-FTP-gel的活體治療效果，作者建立了乳腺癌原位模型和移植模型。實驗結果顯示，與對照組相比，裝載了AQ4N的CS-FTP-gel（CS15-FTP-gel@AQ4N）對移植瘤的抑制率可達到63.98%，同時治療后60天左右的小鼠存活率也達到了40%。而在原位瘤模型中，接受CS15-FTP-gel@AQ4N治療的小鼠不僅實現了良好的抑瘤效果，腫瘤在肺部的轉移也能夠被顯著抑制（圖3）。
圖3 CS-FTP-gel的抗腫瘤效果
最后作者指出，受生態位啟發而構建的可誘導乏氧水凝膠CS-FTP-gel展現出了優異的耗氧性能和刺激響應釋放藥物的能力，因此可在腫瘤中作為一種人工生態位以調節重塑腫瘤乏氧微環境，為化療和饑餓治療提供強大的平臺。經過這一人工生態位的重塑，腫瘤的乏氧微環境得到進一步增強，可大大促進乏氧激活前藥發揮更加強效的化療作用；與此同時，該平臺響應釋放的抗血管生成抑制劑則可以阻斷腫瘤新生血管生成，實現饑餓療法的同時抑制腫瘤轉移的發生。因此，上述智能可成膠聚合物體系為基于乏氧激活前藥的治療策略提供了全新的平臺和思路。
