固体肿瘤间质-淋巴液流动与纳米药物输送的有限元模拟：瘤内注射策略优化研究

本研究针对肿瘤微环境(TME)中纳米药物输送效率低的难题，通过建立包含坏死核心、活性肿瘤区和健康组织的数学模型，采用有限元模拟(FES)方法系统研究了间质流体压力(IFP)、流速(IFV)及多种纳米载体(如脂质体、PEG包被金纳米粒等)的输送特性。研究发现15-30 nm粒径范围的纳米颗粒具有最佳治疗效果，并首次提出临界坏死半径(RCN )概念，为优化瘤内注射策略提供了新思路。该研究通过创新性整合淋巴动力学和流体阻力参数，将计算成本降低90%，为个性化癌症治疗提供了重要理论依据。

　　

癌症治疗面临的核心挑战在于肿瘤微环境(TME)的复杂屏障。异常血管结构、缺乏功能性淋巴管以及升高的间质流体压力(IFP)共同构成了阻碍药物输送的"三重屏障"。传统静脉给药方式仅有约1%的纳米颗粒能到达肿瘤部位，而其中仅2%能最终进入癌细胞。这种低效输送直接导致治疗效果不佳和严重副作用。更棘手的是，肿瘤内部存在高度异质性的坏死核心与活性区域，使得药物分布更加不可预测。

为突破这一瓶颈，国内研究人员在《BMEF (BME Frontiers)》发表创新性研究，通过建立包含坏死核心、活性肿瘤区和健康组织的2D轴对称数学模型，采用有限元方法(FEM)系统模拟了不同纳米载体的输送过程。研究创新性地整合了完整的淋巴动力学模型和流体阻力参数，并首次提出临界坏死半径(R_CN
)的概念。

关键技术包括：1)建立包含坏死核心、活性区和健康组织的2D轴对称几何模型；2)采用Galerkin有限元法求解流体流动和溶质传输方程；3)通过网格独立性测试确定最优计算参数；4)比较分析多种纳米载体(包括葡聚糖、脂质体、PEG包被金纳米粒等)的输送特性。

Mathematical model部分建立了包含Darcy定律和对流-扩散-反应(CDR)方程的理论框架。研究发现IFP在坏死核心达到峰值，在活性区与健康组织界面急剧下降。当流体阻力低于5时，IFP和IFV表现出显著敏感性。

Results部分揭示了多项重要发现：坏死核心尺寸直接影响IFP分布，临界坏死半径(R_CN
)标志着压力稳定点，成为有效给药的关键阈值。血管正常化和淋巴动力学的影响相对有限。10 nm的小颗粒扩散快但降解迅速，而>30 nm的大颗粒在注射部位滞留时间更长。脂质体、PEG包被金纳米粒和磁性颗粒的治疗效果显著优于传统阿霉素。

Discussion部分强调了该研究的三大创新：首次完整整合淋巴动力学模型，将计算元素从360,000大幅减少到33,000；确定15-30 nm为最佳治疗窗口；提出R_CN
作为治疗决策的新生物标志物。这些发现不仅为优化纳米药物设计提供了定量依据，更为个性化癌症治疗方案的制定开辟了新途径。

这项研究的临床意义在于：1)为瘤内注射策略提供了精确的剂量分布预测；2)为联合治疗(如热疗)提供了理论支持；3)大幅降低了计算成本，使临床转化更具可行性。该模型框架可进一步扩展应用于不同肿瘤形态和给药方案优化，标志着计算医学在癌症治疗领域的重要突破。