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西安交大陈鑫教授/张彦民教授课题组 Adv. Funct. Mater.: 基于智能复合水凝胶的肿瘤消除与组织再生一体化研究进展
2023-08-09  来源:高分子科技

  手术切除作为治疗恶性黑色素瘤的主要策略,挽救了大量患者的生命。然而,手术不可避免地会导致皮肤和周围组织的严重损伤。而且,伤口周围的残留肿瘤细胞进一步引起肿瘤复发和转移,导致恶性黑色素瘤即使在手术后也具有较低的五年生存率。因此,除了手术治疗之外,恶性黑色素瘤需要额外的治疗以消除残余肿瘤,同时促进皮肤组织的再生。


  肿瘤清除和组织再生分别依赖于肿瘤和正常细胞的某些生物学行为,而这些行为可能受到细胞内微环境的调控。在这些细胞中按需执行任务,从而操纵细胞微环境的纳米材料将是实现综合治疗的一种有希望的方法。在各种细胞内微环境中,铜和一氧化氮(NO)密切参与肿瘤组织和健康组织的不同生理和病理过程,有望作为操纵的理想目标。因此,设计适当的纳米材料来降低肿瘤细胞中异常高表达的铜,并在肿瘤细胞和正常细胞中按需释放相应剂量的NO,将实现肿瘤消除和组织再生一体化治疗,从而有效抑制恶性黑色素瘤进展。


  针对上述问题,西安交通大学化工学院陈鑫教授团队与西安交通大学药学院张彦民教授团队构建了一种热敏且可生物降解的水凝胶MBGP-Gel,旨在利用肿瘤细胞和健康细胞之间铜含量的显着差异来调节各种生理微环境,用于肿瘤清除,转移抑制和组织再生的综合治疗(图1MBGP-Gel注射后在体温下发生溶胶-凝胶转化,并持续释放MBGP纳米颗粒。进入肿瘤细胞后,这些纳米颗粒会螯合多余的铜以抑制肿瘤迁移。同时,铜被还原为亚铜,进一步催化过量H2O2GSNO分别产生活性氧ROS)和一氧化氮(NO)。ROSNO进一步反应产生高毒性的ONOO-,这将显著损害肿瘤组织。相比之下,进入健康细胞的MBGP纳米颗粒仅产生适量的NO以加速组织愈合。体外和体内结果表明,纳米复合水凝胶可抑制恶性黑色素瘤的生长和转移,促进皮肤再生,为各种肿瘤的术后治疗提供了有前景的策略。 


1MBGP凝胶的合成和一体化治疗机制示意图


  充分利用肿瘤细胞中铜含量高于正常细胞的微环境特征,团队研究了MBGP NPs在肿瘤细胞中的铜捕获行为及其随后的化学动力学激活。火焰原子吸收光谱法(FAAS)显示,MSN-BTU与铜有很强的螯合作用,可以有效地掠夺铜,减少肿瘤细胞中铜的过表达,有效抑制铜介导的肿瘤转移(2c)MSN-BTU纳米颗粒可以通过螯合作用有效地将Cu2+还原为Cu+(2d-e), Cu+进一步催化H2O2(癌细胞中过量)产生ROS,并催化释放的一氧化氮前体(GSNO)产生高浓度的毒性NO,希望通过双重杀伤作用实现高选择性的趋化动力学治疗(2f-g)。不同浓度NO在生物医学治疗过程中可能有相反的作用。低浓度的NO有利于通过血管生成、消除感染和免疫调节促进组织再生。高浓度的NO对肿瘤细胞具有良好的抗肿瘤作用(2h)。更重要的是,ROS会进一步与附近释放的NO反应产生高毒性的ONOO-。这些结果表明,MBGP NPs同时具有调控肿瘤细胞和正常细胞行为的作用。 


2. MBGP-Gel的铜依赖性功能。


  接下来,团队深入研究了MBGP- Gel复合水凝胶在细胞水平上的治疗机制。流式细胞术检测B16F10细胞和HacaT细胞中ROSNOONOO的含量。如图3所示,MBGP-Gel处理组肿瘤细胞内ROS水平显著升高,间接证实了Cu+催化细胞内H2O2生成ROSB16F10细胞与MBGP-Gel孵养后,细胞内NO水平也显著升高,表明在铜离子过表达的细胞内环境中NO有效释放,而在HacaT细胞中只有低剂量的NO产生。此外,采用流式细胞术检测细胞内ONOO -水平。为了进一步评价体外治疗效果,采用MTT法检测细胞毒性。以上数据证明MBGP-Gel组对B16F10细胞表现出高效的杀灭作用,而缓慢释放的NO促进HacaT细胞的生长。 


3.MBGP-Gel在肿瘤治疗和组织再生中的体外细胞选择性


  随后,团队进一步利用荷瘤裸鼠模型考察了MBGP-Gel的体内治疗效果。如图4所示,通过MBGP-Gel治疗3周后肿瘤大小的变化,提供了热敏水凝胶复合载体经铜捕获和铜依赖催化药物治疗的体内抗肿瘤效果的定量信息。除原发肿瘤外,转移性肿瘤是另一个关键致死因素。治疗3周后,取小鼠肺进行组织病理学和免疫组化分析。肺组织的H&E染色图像提供了肿瘤转移抑制的信息,MBGP-Gel处理的荷瘤小鼠肺内未见明显的转移和肿瘤侵袭,表明所设计的MBGP-Gel复合水凝胶在体内具有良好的抗转移能力。 


4. MBGP-Gel的体内抗肿瘤特性


  为验证术后肿瘤治疗与创面愈合的综合效果,团队进一步构建了肿瘤不完全切除模型。术后立即将不同配方的复合水凝胶原位注射植入创面,跟踪记录肿瘤组织和皮肤创口的生长情况。如图5所示,MBGP-Gel组肿瘤完全消融,说明MBGP-Gel显著抑制肿瘤的再生长。在监测肿瘤复发的同时,也跟踪伤口愈合的过程。MBGP-Gel可在15天内闭合创面,创面愈合达到95%(5e)。对肿瘤和皮肤组织进行组织学分析,MBGP-Gel可以释放NO,从而表征NO促进创面愈合的功能。然后通过皮肤细胞生长标志物的定量分析来评价创面愈合的状况(图5f-5g)。综上所述,MBGP-Gel组能有效杀灭残留肿瘤细胞,抑制肿瘤复发,促进皮肤创面愈合。 


5. 肿瘤复发抑制及皮肤再生评价。


  在此工作中,作者创造性的提出了一种双向调控细胞行为的治疗机制,该综合治疗策略通过肿瘤细胞与健康细胞微环境的显著差异,既实现了ROSNO通过亚铜催化协同治疗破坏原发肿瘤,又通过铜掠夺控制肿瘤细胞内铜的浓度,抑制肿瘤转移,更重要的是同步实现了NO促进皮肤再生的功能。这可能有助于理解和拓展智能纳米材料在肿瘤术后残余肿瘤切除和组织再生的综合治疗中的应用。


  相关成果以Integration of Tumor Elimination And Tissue Regeneration via Selective Manipulation of Physiological Microenvironments Based on Intelligent Nanocomposite Hydrogel for Postoperative Treatment of Malignant Melanoma为题发表在Advanced Functional Materials上。该研究工作由西安交通大学化工学院陈鑫教授团队和西安交通大学药学院张彦民教授团队合作完成,化工学院博士生陈莉、药学院助理教授杨天枫为该文章共同第一作者,陈鑫教授与张彦民教授为共同通讯作者。该论文得到了国家高层次人才特殊支持计划、国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、西安交通大学青年拔尖人才支持计划等项目的大力支持。同时感谢西安交通大学大型仪器设备共享实验中心在分析测试方面的支持。


  文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202304394


  通讯作者简介


  西安交通大学陈鑫教授:西安交通大学化工学院教授,国家级高层次青年人才,陕西省百人计划学者,陕西省优秀留学归国人员,英国皇家化学会2020新锐科学家,西安交通大学A类青年拔尖人才,中国生物医学工程学会组织工程与再生医学分会委员,中华口腔医学会口腔生物医学专业委员会委员,纳米肿瘤学专委会青年委员。先后主持国家自然科学基金、省部级自然科学基金等十余项。主要从事智能医用材料的研究,在Nature Biomedical Engineering, Science Translational Medicine, Science Advances, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Biomaterials等国际知名学术期刊上发表科研论文70余篇,受邀撰写学术专著3章,申请/授权国家发明专利13项。目前担任Chinese Chemical Letters、Pharmaceutics、Nano Biomedicine and Engineering等学术期刊编委。


  西安交通大学张彦民教授:西安交通大学药学院教授,陕西省天然药物研究与工程重点实验室主任、西安交通大学血管药物研究所所长等。陕西省杰出青年基金获得者、入选教育部新世纪优秀人才、陕西省中青年科技创新领军人才、西安交通大学A类青年拔尖人才等。担任中国抗癌协会抗癌药物专业委员会常务委员、中国药理学会分析药理专业委员会委员、陕西省药学会理事等。担任SCI期刊Journal of Pharmaceutical Analysis杂志常务副主编、Frontiers in Pharmacology、Frontiers in Oncology杂志副主编,Biosensors、Oncol Rep等期刊编委。主持国家自然科学基金项目、国家重大新药创制专项等30余项;发表论文200篇;申请/授权国家发明专利32项;以第一完成人获陕西省科学技术二等奖2项、获陕西高等学校科学技术一等奖1项,以参与人获国家技术发明二等奖等。

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(责任编辑:xu)
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