近期，中科院上硅所陈航榕研究员和复旦肿瘤医院宋少莉教授团队在 Bioactive Materials 上联合发表研究文章：双响应性类生态位水凝胶可实现成胶触发癌症化疗和抗肿瘤转移。作者设计合成了一种新型功能化壳聚糖材料，其具有氧气响应成胶/活性氧响应释药能力，可用于构建强化肿瘤乏氧水平的类生态位水凝胶，重塑并加强肿瘤乏氧微环境，并载药抑制肿瘤转移。
研究内容简介
近年来，可以重新塑造肿瘤微环境（TME）以实现癌症免疫治疗的纳米工程化免疫生态位（niche）已经逐渐成为研究热点。在这类材料体系中，纳米免疫生态位可作为免疫药物的递送/存储平台，通过将免疫抑制性TME转变成免疫支持性TME可显著提高免疫治疗效果。而类似地，由人工水凝胶材料构成的工程化生态位则可以模拟重建天然细胞外基质，被认为是仿生三维天然微环境的新型范式。在这些研究中，人们通过探索水凝胶基生态位的物化参数（包括细胞因子和力学性质），实现了对细胞行为的可控调节。因此，综合上述研究成果，人工生态位作为高度可定制平台，有望为乏氧激活药物（HAPs）触发的化疗提供理想的三维乏氧微环境。
受到工程化生态位的启发，作者设计了一种新型功能化壳聚糖结构（CS-FTP），可用于构建可注射刺激响应性水凝胶基生态位类似物（CS-FTP-gel）。CS-FTP以壳聚糖作为骨架，共轭接枝了氧气响应片段和活性氧（ROS）响应片段。当与漆酶混合注射进入肿瘤时，CS-FTP可被漆酶催化并与氧气反应形成交联结构，在清除氧气的同时还能原位形成水凝胶。因此，这一过程可诱发加强肿瘤微环境的乏氧水平，从而有利于HAP发挥化疗作用。此外，通过ROS响应片段，CS-FTP还可连接抗血管生成抑制剂。原位成胶后，肿瘤区域高表达的ROS水平可裂解ROS响应片段，从而释放抗血管生成抑制剂，以抑制肿瘤血管生成，发挥饥饿疗法作用的同时还可以抑制肿瘤转移。
一、CS-FTP-gel的设计
在CS-FTP的设计中，作者以壳聚糖作为聚合物骨架，在其上接枝了氧气响应的阿魏酸（FA）片段和ROS响应的酮缩硫醇（TK）片段，形成了一系列壳聚糖分子量不同的功能化聚合物。最后，在TK片段的介导下，抗血管生成抑制剂PAZ被连接到壳聚糖分子骨架上形成最终的CS-FTP。在漆酶的催化作用，CS-FTP上的FA片段可与氧气反应并相互之间形成二聚体，从而产生聚合物网络并形成水凝胶结构（图1 ）。
图1 CS-FTP-gel的设计及表征
二、CS-FTP-gel的体内外性能
力学性能表征显示，CS-FTP在漆酶介导下可在几分钟内完成溶胶-凝胶转变形成水凝胶。药物释放研究则显示，乏氧激活前药AQ4N可与CS-FTP溶液物理混合，并在形成水凝胶后进入聚合物网络，最终扩散释放进入肿瘤组织；而在ROS高表达的环境中，CS-FTP上的TK片段可响应ROS发生氧化反应，从而缓慢释放PAZ。对溶胶-凝胶转变过程进行溶解氧水平检测表明，CS-FTP和漆酶混合后可显著减少溶液中溶解氧含量。
在细胞水平上，作者利用氧气传感器，研究证明了，与对照组相比，CS-FTP-gel处理的细胞及其周边溶解氧呈现急剧下降的趋势，溶解氧最低可降至1.5 mg L−1。在这样的乏氧环境下，AQ4N的细胞毒性也得以显著增强。不仅如此，响应释放的PAZ还能够通过与细胞上的VEGFR家族受体结合来抑制内皮细胞的迁移行为，进一步证实了PAZ的抗血管生成效果。在活体动物水平上，作者以乏氧显像剂18F-fluoromisonidazole (18FMISO)作为探针，采用micro-PET PET/CT显像手段对CS-FTP-gel的体内促乏氧作用进行了表征。PET显像观察到，通过瘤内注射方式在肿瘤区域形成的CS-FTP-gel可有效强化肿瘤的乏氧水平（图2），为乏氧化疗提供理想的微环境。
图2 CS-FTP-gel在体内的乏氧增强性能
三、CS-FTP-gel的抗肿瘤治疗效果
为了检验载药CS-FTP-gel的活体治疗效果，作者建立了乳腺癌原位模型和移植模型。实验结果显示，与对照组相比，装载了AQ4N的CS-FTP-gel（CS15-FTP-gel@AQ4N）对移植瘤的抑制率可达到63.98%，同时治疗后60天左右的小鼠存活率也达到了40%。而在原位瘤模型中，接受CS15-FTP-gel@AQ4N治疗的小鼠不仅实现了良好的抑瘤效果，肿瘤在肺部的转移也能够被显著抑制（图3）。
图3 CS-FTP-gel的抗肿瘤效果
最后作者指出，受生态位启发而构建的可诱导乏氧水凝胶CS-FTP-gel展现出了优异的耗氧性能和刺激响应释放药物的能力，因此可在肿瘤中作为一种人工生态位以调节重塑肿瘤乏氧微环境，为化疗和饥饿治疗提供强大的平台。经过这一人工生态位的重塑，肿瘤的乏氧微环境得到进一步增强，可大大促进乏氧激活前药发挥更加强效的化疗作用；与此同时，该平台响应释放的抗血管生成抑制剂则可以阻断肿瘤新生血管生成，实现饥饿疗法的同时抑制肿瘤转移的发生。因此，上述智能可成胶聚合物体系为基于乏氧激活前药的治疗策略提供了全新的平台和思路。
