设计并评估一种多响应性的PNIPAM-g-葡聚糖-海藻酸钠混合智能水凝胶，以增强针对口腔鳞状细胞癌的化学光动力疗法效果

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Design and evaluation of multi-responsive PNIPAM-g-Dextran-Sodium Alginate Blended Smart Hydrogel for enhanced chemo-photodynamic therapy against oral squamous cell carcinoma

口腔鳞状细胞癌（OSCC）治疗中，本研究设计了一种pH和温度双响应智能水凝胶DSPD-Hg，通过近红外（NIR）光热疗法增强阿霉素靶向释放，显著抑制肿瘤生长并减少全身毒性。摘要：DSPD-Hg利用海藻酸钠与PNIPAM-g-dextran的交联结构，在酸性肿瘤微环境和体温下实现可控释药，结合NIR照射产生光热效应，实现化疗与光热治疗的协同作用，同时展现优异生物相容性和肿瘤组织特异性富集，为OSCC治疗提供低毒高效方案。

　　

施楚妍|刘冰|冯璐|魏波|于书娟|陈鹏

中国人民解放军医学院，中国北京100853

摘要

口腔鳞状细胞癌（OSCC）由于其侵袭性以及传统化疗的局限性（包括药物特异性差和严重的全身毒性）仍然是一个全球性的健康问题。为了解决这一挑战，我们在本研究中设计了一种具有双重响应性（pH值和温度）的智能可注射水凝胶，以抑制肿瘤生长。该水凝胶通过将海藻酸钠（SA）与钙离子交联，并结合聚（N-异丙基丙烯酰胺）接枝右旋糖酐（PNIPAM-g-dx）制成，并负载了多柔比星（Dox），形成了名为DSPD-Hg的多刺激响应性网络。这种水凝胶在生理条件下保持结构完整性，但在酸性环境和高温肿瘤环境中表现出增强的药物释放能力，尤其是在近红外（NIR）照射下。体外和体内评估表明，DSPD-Hg能够持续释放多柔比星，通过化疗和光热联合效应显著抑制肿瘤，并具有优异的生物相容性。值得注意的是，该水凝胶在肿瘤部位优先积聚，对健康组织的伤害最小。我们的研究结果表明，DSPD-Hg智能水凝胶系统为OSCC的治疗提供了一种有前景的、靶向的、毒性较低的选择。

引言

全球范围内，癌症是导致死亡的主要原因之一，影响着不同人群。它几乎可以起源于任何组织或器官，其特征是细胞不受控制地生长、侵袭周围结构，并有可能转移到身体的远端区域[1]。在过去的几个世纪里，OSCC在多个工业化国家的发病率呈上升趋势[2]、[3]、[4]。为了治疗OSCC，近年来开发并研究了多种癌症疗法，如放疗、化疗和免疫疗法。其中，化疗通常用于晚期病例，而基于放疗或手术的系统疗法则作为一线治疗手段[5]、[6]、[7]。然而，这些保守的治疗方法缺乏选择性，会对健康细胞造成伤害，导致严重的副作用[8]。多柔比星等化疗药物常用于治疗多种癌症，包括OSCC[9]，但其缺点是缺乏选择性，导致不必要的副作用，因此需要较高浓度才能使用[10]、[11]、[12]。为了克服这些限制，水凝胶作为一种药物输送系统被开发出来，能够实现可控的药物释放并减少副作用[13]。水凝胶是一种三维交联的聚合物，由于其亲水性，可以吸收大量水分或生物液体[1]。海藻酸钠因其能够在肠道中促进药物释放并保护酸敏感药物免受胃酸的影响而受到重视[14]、[16]、[17]。此外，3D打印和结构工程化水凝胶的最新发展展示了它们在实现优异机械稳定性、可控响应性和靶向治疗效果方面的潜力[18]。尽管有这些优势，基于海藻酸钠的水凝胶在碱性环境中容易降解，可能导致药物过早释放和捕获效率降低。为了解决这一问题，研究人员开发了多种对光、温度、pH值和活性氧（ROS）响应的水凝胶，以实现药物的可控释放[19]、[20]、[21]、[22]。有趣的是，水凝胶对细胞微环境内部刺激的变化反应更快，从而最大化治疗效果[23]、[24]。聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）是一种响应性水凝胶，其临界溶解温度（LCST）约为32oC[25]，通过加入亲水单体（如丙烯酰胺），这一温度点可以从体温（37oC）调整到高温（43oC）。右旋糖酐（dx）是一种由1,6-葡萄糖苷键连接的多糖。许多研究表明，dx的羟基易于直接酯化，从而可以将其与生物分子或药物结合[26]。聚合物水凝胶，包括合成和天然来源的变体，已被设计用于创建具有精确几何形状、细胞密度和分布控制的组织模拟微结构。这些特性表明聚合物水凝胶在生物医学应用中的适应性。因此，我们的研究专注于使用天然聚合物海藻酸钠，开发一种对近红外（NIR）响应的水凝胶，结合IR-820用于OSCC的靶向治疗[27]。

光治疗的目的是利用光吸收剂将光能转化为热量，在肿瘤环境中破坏恶性细胞[28]、[29]。据报道，基于水凝胶的输送系统可以响应特定的肿瘤微环境刺激，实现靶向药物释放并减少全身副作用——这一特性与我们研究中设计的NIR响应性相辅相成[30]。NIR响应性聚合物水凝胶为癌症治疗提供了多功能平台，因为NIR光可以深入穿透组织，实现对药物释放的精确、局部控制，从而减少全身毒性，同时提高对不受控制的肿瘤进展的治疗效果[31]。将这种方法与其他方法（包括化疗、放疗和基因治疗）结合使用，已被证明可以提高抗癌治疗的疗效[32]、[33]、[34]、[35]。因此，为了改进OSCC的化疗-光热疗法中多柔比星的靶向输送，我们提出了一种由海藻酸钠与聚（N-异丙基丙烯酰胺）接枝右旋糖酐（DSPD-Hg）制成的pH值和温度响应性水凝胶系统。

部分内容摘录

聚（N-异丙基丙烯酰胺）-接枝右旋糖酐（PNIPAM-g-dx）的合成

根据GhavamiNejad等人（2016年）的方法[36]，采用自由基聚合法制备了聚-N-异丙基丙烯酰胺接枝右旋糖酐（PNIPAM-g-dx），并对方法进行了必要的修改。实验开始前，首先对PNIPAM和右旋糖酐进行了纯化。简要来说，1.06毫米的PNIPAM在60oC下分散在400毫升的正己烷中，不进行搅拌。然后通过布氏漏斗用真空过滤去除多余的正己烷，得到纯化的单体。

XRD、FTIR和FESEM分析

XRD分析显示了多柔比星（Dox）、海藻酸钠（SA）、PNIPAM-g-dx和DSPD-Hg的结晶度和结构特征。SA的XRD图谱显示出一个宽的衍射峰，这是无定形材料的典型特征，证实了海藻酸钠的无定形性质。PNIPAM-g-dx在2θ≈ 18o处显示出一个更宽的峰，表明其主要结构为无定形。在DSPD-Hg的XRD图谱中，纯多柔比星的结晶峰在2θ≈ 9o、13o和20o处明显减弱或消失。

资助

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作者贡献声明

施楚妍、刘冰、冯璐、魏波、于书娟、陈鹏：材料制备、数据分析与解释、数据管理、正式分析及验证、手稿初稿撰写、审稿与指导。所有作者都阅读并批准了最终版本的手稿

CRediT作者贡献声明

魏波：撰写 – 审稿与编辑、正式分析、数据管理。于书娟：撰写 – 审稿与编辑、正式分析、数据管理。陈鹏：撰写 – 审稿与编辑、指导、项目管理。施楚妍：撰写 – 初稿撰写、方法设计、实验研究。刘冰：撰写 – 初稿撰写、方法设计、实验研究。冯璐：撰写 – 初稿撰写、方法设计、实验研究。

未引用的参考文献

[15]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

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