使用校準微球技術的動脈栓塞技術(TAE)是影像引導微創治療發展史上非常成功的篇章。自從2000年代問世以來，具有均一粒徑和可預測形狀的栓塞顆粒能夠穿透更深，實現更末梢的栓塞。這些不同大小的新型顆粒可以被選擇用于治療從前列腺增生到肝細胞癌(HCC)等全身各種疾病。校準微球可以在一個高度選擇的靶血管內機械性阻塞血液流動。目前正在嘗試利用這種精確性來更準確地輸送新型治療藥物，并開發生物可降解的栓塞顆粒。這種通用性使這些設備功能強大，因為其靈活的設計適用于無數的臨床場景，例如提高實體腫瘤對免疫治療的臨床反應。本文綜述了目前最常用的微球產品及其應用。
機械性能及局限性
微球技術的改進使經導管介入治療的臨床應用日益擴大。早期栓塞材料，包括自體血凝塊、彈簧圈和明膠海綿，被證明有助于治療急性出血。然而，當需要更末梢栓塞時，它們缺乏必要的改進。此外，由于它們不可預測的大小和形狀，非靶向栓塞的風險很高。氣體交換發生在末梢微血管中，這里的小動脈和毛細血管的直徑為10 - 30 μm。即使采用最佳的栓塞技術，也常常導致更近端血管(直徑為> 40 µm)的阻塞。鑒于近端栓塞的特性，組織灌注將通過側枝循環和新的灌注血管持續存在。Johnson等人在兔腫瘤模型中量化了這種殘余灌注。用100 - 300 μm的微球栓塞腫瘤至血流停滯，僅使56%的腫瘤微血管血流停止。栓塞至停滯和接近停滯之間的主要區別在于新的灌注微血管的出現，而這在栓塞至血流停滯的腫瘤中幾乎不存在。我們最近的研究通過評估不同大小的微球 (40-60 µm vs 70-150 µm) 栓塞后腫瘤微血管的缺氧程度，證實了這些發現。較小的微球能更深地穿透入腫瘤血管，減少了側枝殘余灌注的可能性，從而導致更嚴重的壞死。當使用太大的微球栓塞靶血管時，殘余灌注使缺氧的腫瘤細胞得以存活。因此，開發出校準的栓塞顆粒是必要的，并且其適應各種血管和內臟介入的栓塞，包括藥物輸送和內放射治療。
栓塞顆粒的進展
自1970年代以來， PVA顆粒作為一種可靠且經濟的栓塞劑被用于栓塞治療并迅速得到廣泛應用。PVA是可壓縮的，但在導管輸送后會恢復形狀。早期PVA產品的粒徑分布不均勻，粒徑范圍為100 - 1100 µm，其后這種栓塞劑被改良成較小的、校準的PVA (Contour，Boston Scientific Corporation)。
栓塞顆粒的另一個突破是三丙烯明膠微球(TAGM) (Embosphere, Merit Medical Systems)。Embospheres是帶有明膠涂層的丙烯酰胺單體的聚合物。這些緊密校準的微球攜帶陽離子，使得它們具有親水性和抗聚集性。通常，這些顆粒在注射前懸浮在造影劑和生理鹽水中，并提供40 - 1200 µm的校準尺寸。與TAGM相比，在子宮動脈栓塞(UAE)臨床前模型中，不均勻PVA顆粒的近端和遠端聚集率更高。使用相應尺寸的球形PVA顆粒可獲得類似的即刻技術成功率，但在術后3個月的影像中顯示出明顯更高的不完全緩解率。與TAGM相比，PVA的高度可壓縮性可能導致顆粒的形態變化和非靶向再分布，從而導致反應率欠佳。
Bead Block(Boston Scientific Corporation)代表了PVA顆粒的另一個進步。它們是由生物相容的PVA水凝膠與丙烯酸聚合物交聯組成的校準微球。Bead Block具有獨特的吸濕性，水分子散布其間，導致堵管和顆粒聚集發生率較低。然而，它們的吸濕性通常需要較長的準備時間。Embozene微球(Varian Medical)是另一種高度校準的微球，由不可吸收的外覆Polyzene-F聚合物的水凝膠制成，有40 - 1300 µm等多種尺寸。
藥物洗脫微球技術的發展徹底改變了經導管栓塞技術。有幾種可用的設備，包括含有磺酸基團的PVA微球(DC Bead, Boston Scientific Corporation)，含有丙烯酸鈉基團的微球(HepaSpheres, Merit Medical Systems)，以及藥物洗脫版的Embozene (Oncozene, Varian Medical)。DC Beads是PVA與2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸鹽的共聚物，可以通過離子交換與低分子量且帶正電荷的藥物結合。類似地，HepaSpheres利用醋酸乙烯酯和丙烯酸甲酯單體的聚合作用來結合化療藥物。這些藥物洗脫微球(DEBs)可以加載和釋放伊立替康和多柔比星，而這些藥物主要用于肝腫瘤的TACE治療(圖1)。
圖1
微球技術歷史和發展示意圖。左圖：顆粒材料的改良和直徑縮小，以實現更精準更末梢的栓塞。從自體血凝塊、不銹鋼球、明膠海綿進化為各種材料和直徑的校準微球，以適應更復雜的治療類別，并改善藥物釋放特性。右圖：不斷擴大的以導管為基礎的介入治療與免疫治療相結合，以克服免疫抑制腫瘤微環境的挑戰。順時針方向：聯合治療中，血管外的微球激活了T細胞并激發腫瘤，增強了細胞毒性反應，激活了Toll樣受體，同時免疫檢查點抑制激活了自然殺傷細胞。
微球技術用于良性疾病的最新進展
校準微球技術固有的靈活性特別適合于良性疾病的栓塞，這些疾病的栓塞靶血管是特定的血管叢。最佳的子宮肌瘤栓塞技術需要栓塞直徑為500-800 μm的肌瘤周圍血管叢。較小的校準顆粒(< 500 μm)可越過血管叢，滯留在較細的小動脈中，這可能導致子宮肌層梗死。因此，通常首選500-700 µm或700-900 μm的不可吸收微球。成功治療需要使用精確直徑范圍的栓塞顆粒，這使得FDA批準了幾種用于UFE的栓塞顆粒，包括PVA和TAGM。校準微球提供了精確的栓塞水平，導致不同的栓塞終點模式。使用微球栓塞后，子宮動脈內的血流減慢足以證明栓塞劑充分穿透到肌瘤周圍血管叢，而非校準的栓塞顆粒則通常以造影劑停滯作為栓塞終點。由于存在術后卵巢功能永久性降低的很小風險，人們對開發一種用于UAE的臨時性栓塞劑重新產生了興趣。Hacking等人使用新型的、700-1000 μm的生物可吸收凝膠微球連續對23名患者進行了UFE，栓塞終點為完全停滯。術后3個月MRI顯示，83%的患者100%的肌瘤梗死，這一比率與使用永久性栓塞劑進行的栓塞相當。其他幾種臨時性栓塞微球目前正在進行各種臨床前研究。
校準微球對于前列腺動脈栓塞(PAE)也具有獨特的優勢。UK-ROPE研究顯示，較小的Embozene微球(< 400 µm) 和100-200 µm的非球形PVA的PAE術后的臨床結果相似。Bilhim等人也報道了類似的結果，他們使用300-500 μm 的Bead Block和100-300 μm的非球形PVA顆粒，PAE術后2年的技術和臨床成功率相當。另一項單中心隨機臨床試驗顯示，使用100-300 µm和300-500 µm Embosphere進行PAE的結果沒有顯著差異。小粒徑組與大粒徑組在輕度不良事件(如排尿困難、尿頻、血尿)方面有顯著差異(86% vs 41%)。兩組均無嚴重不良事件的記錄。Wang等人證實，與單獨使用100 µm PVA顆粒相比，聯合使用50 µm和100 µm PVA顆粒進行PAE后，臨床和影像學結果得到改善。Bagla等人也報道了在PAE治療良性前列腺增生患者時使用Embozene具有類似的有效性和安全性。進一步的前瞻性多中心研究正在進行中，以確定PAE的最佳栓塞劑。
腫瘤微環境的新概念
最新的研究對肝腫瘤栓塞后的微環境進行了更詳細的描述。因腫瘤供血動脈突然閉塞而導致的缺氧損傷的程度是治療結果的關鍵決定因素。當缺血和藥物毒性聯合仍不足以殺滅整個目標腫瘤時，存活下來但處于應激狀態的癌細胞可以通過激活細胞遷移、血管生成和轉移等相關的生存途徑來適應缺氧和營養匱乏的環境。我們的臨床前研究表明，在肝動脈栓塞(HAE)和DEB-TACE治療后3天，存活腫瘤細胞的缺氧應激增加，7天后下降。所有治療臂的腫瘤缺氧反應證明微球的大小對存活腫瘤細胞的缺氧應激有顯著影響，我們觀察到，相比于40-60 μm微球治療組，70-150 µm微球治療組中的大鼠有更高程度的殘余腫瘤缺氧應激。
傳統上，研究HAE對肝實質影響的實驗主要聚焦于HCC患者的循環外周細胞。這些研究分析了TACE前、后的循環免疫細胞亞群，包括CD4+細胞(Th1、Th17和Treg細胞)、CD8+ T細胞、NK細胞和NKT細胞，以及血漿細胞因子，發現TACE后1個月循環Th17細胞的出現頻率顯著增加。此外，在大鼠HCC模型中，經空白TAE后，Th17細胞的全身和肝臟募集以及它們的標志性細胞因子白細胞介素-17A的表達增加，在促炎癥微環境中發揮了核心作用。最近的研究著重于HCC中使用TAGM微球栓塞后的免疫反應，研究表明，治療后腫瘤中含有明顯更多的CD3、CD4和CD8腫瘤浸潤淋巴細胞，而微球位于血管外對于誘發更強的免疫反應至關重要。這些發現確證了我們最近觀察到的結果，即栓塞治療后腫瘤內CD8和FOXP3 T細胞增加，以及瘤周巨噬細胞數量增加(圖2)。
圖2
使用未加載或加載鹽酸多柔比星的含磺酸基團的PVA微球行TAE后腫瘤微環境的不同反應。上圖：不同栓塞方式治療后的腫瘤微環境反應示意圖。下圖：在多柔比星洗脫微球治療的腫瘤中觀察到細胞毒和FOXP3表達T細胞(CD8+，Tregs)有更高的浸潤 (左)。與生理鹽水對照組相比，觀察到微球治療組有明顯的腫瘤巨噬細胞向M2狀態極化的趨勢。然而，在隨訪期間(術后14天)，DEB組和空白微球組之間未觀察到明顯的差異趨勢(右)。
肝癌的研究進展
經導管肝動脈化療栓塞術仍然是中晚期HCC患者微創治療的中流砥柱，也常用于治療神經內分泌癌腫瘤和結腸癌的肝轉移。對cTACE中化療藥物所引起的全身毒性的擔憂導致了DEB-TACE的出現。這種方法有力結合了血管閉塞引起的缺血與藥物輸送。用于TAE和TACE的典型微球粒徑為100 - 300 μm。豐富的肝側支循環為徹底閉塞肝腫瘤血管帶來了挑戰，也使得栓塞后腫瘤內缺氧的嚴重程度難以預測。與血管栓塞后的缺血應激不同，DEB-TACE后多柔比星對腫瘤的影響不是即刻的，因為藥物會洗脫進入周圍組織。Gaba等人證實，提高微球加載多柔比星的濃度會導致兔VX2腫瘤更明顯的壞死。這些結果強調，在微球附近的多柔比星會在栓塞后缺氧腫瘤微環境和免疫背景方面影響存活的應激癌細胞，這使聯合應用新型免疫調節劑的策略成為可能。
免疫療法的興起使晚期疾病患者產生了持久的反應，從而改變了腫瘤學領域。該療法通過重置共刺激信號和之間的平衡起效，免疫檢查點可以調節腫瘤免疫微環境中細胞毒T細胞的活性和反應強度。但很多患者并沒有從這些新療法中完全受益。對免疫治療的充分反應有幾個眾所周知的障礙，包括腫瘤抗原的低免疫原性、抗原耐受、浸潤性細胞毒T細胞數量有限、以及免疫抑制的腫瘤微環境。
傳統TAE后完全動脈阻塞造成的缺氧似乎創造了一個免疫抑制的腫瘤微環境。初始栓塞后存活的受損缺氧腫瘤細胞是治療結果的主要決定因素，這些存活的腫瘤細胞通常表現出更強的侵襲性。另一個重要的考慮是，在最初的栓塞損傷中存活下來的細胞群可能會進入靜止狀態，這再次為它們提供了保護，以抵抗針對細胞周期的細胞毒性藥物。DEB-TACE和免疫療法的結合可以克服這些挑戰。研究已經證實了聯合應用肝臟局部治療和免疫檢查點抑制劑的安全性和耐受性。Wu等通過回顧性研究評估了侖伐替尼與抗PD-1免疫治療聯合TACE的安全性和有效性，取得了較高的腫瘤反應率(77.4%)，優于既往觀察到的血管內皮生長因子抑制劑與抗PD-L1抗體聯合全身治療的反應率。DEBs在輸送其他免疫調節劑和激活關鍵的免疫刺激途徑方面具有巨大的潛力，同時還降低了全身毒性。DEBs可用于輸送Toll樣受體激動劑，這是很有前景的一類藥物，它們可能引發抗腫瘤反應，而靜脈內給藥與不可接受的全身毒性有關。作者已經成功地將這些新型藥物加載在微球上進行局部輸送，表現出良好的釋放特性。
結論
為了提高栓塞效果，需要熟悉不同微球的機械性能及其對組織微環境的影響。最近的研究已經確定了微球的直徑、藥物加載和位置對栓塞后炎癥環境的作用。對細胞水平變化的細化將使影像引導的微創介入治療與免疫治療相結合成為可能。
