双功能栓塞微球对原位肝癌的有效治疗

《Acta Biomaterialia》：Effective treatment of orthotopic liver cancer with bifunctional embolization microspheres

　　

摘要 经导管动脉化疗栓塞术（TACE）是一种广泛用于治疗不可切除肝细胞癌（HCC）的微创手术。然而，栓塞诱导的缺氧会上调血管内皮生长因子（VEGF），由此产生的促血管生成反应会导致肿瘤复发，进一步限制了TACE对HCC的治疗效果。本研究提出了一种多功能栓塞微球系统，通过微流控技术将索拉非尼（SRF）和碳酸钙（CaCO?）纳米颗粒合理封装于透明质酸钠微球（SRF-CaCO?@SH MSs）中。微球呈现碗状形态，直径可调，通过相邻微球间的机械互锁增强了体内栓塞稳定性。在酸性肿瘤微环境（TME）中，pH触发的Ca2?（23.9%）和SRF（65.7%）释放量远高于中性条件。SRF-CaCO?@SH MSs保持了超过85%的HUVEC活力，并将VX2细胞活力降至24.3%，在酸性条件下表现出最大细胞毒性。经动脉内注射后，微球闭塞了肿瘤供血动脉；在酸性TME中释放的Ca2?抑制了血管生成，CaCO?中和了TME酸性，对抗了免疫抑制。在兔VX2原位HCC模型中，DSA引导下TACE实现了有效闭塞、最慢的肿瘤生长、最大的坏死以及CD31、Ki67和VEGF的显著下调，且无全身毒性。该系统结合了形态设计、pH响应性闭塞、TME中和和抗血管生成作用，协同增强了TACE效果，显示出强大的临床潜力。

意义声明 传统的肝癌栓塞术经常因缺氧驱动的血管生成和随后的肿瘤复发而失败。我们开发了一种双功能栓塞微球（SRF-CaCO?@SH MS），将稳定的血管闭塞与主动调节肿瘤微环境相结合。利用微流控技术，我们制造了碗状的透明质酸钠微球，通过机械互锁确保持久的栓塞。在酸性肿瘤条件下，碳酸钙中和pH并释放Ca2?，与索拉非尼协同抑制血管生成并诱导凋亡。在兔原位HCC模型中，该系统展示了优越的肿瘤控制和坏死作用，且未引起全身毒性。本研究提出了一种微环境响应性栓塞策略，整合了持久的血管闭塞、pH调节和抗血管生成治疗。

引言 肝细胞癌（HCC）仍然是全球癌症相关死亡的主要原因，开发有效的治疗方法在临床实践和基础研究领域仍是主要挑战[1,2,3]。对于不适合手术切除的中间至晚期HCC患者，经导管动脉化疗栓塞术（TACE）常作为原位介入疗法使用[4,5,6]。然而，TACE的治疗效果常因栓塞诱导的缺血和缺氧而受到损害，后者上调促血管生成因子表达，尤其是血管内皮生长因子（VEGF），从而引发代偿性血管生成，这是治疗后肿瘤复发的关键因素[7,8]。同时，临床上使用的靶向VEGF/血管内皮生长因子受体（VEGFR）信号通路的抗血管生成药物疗效往往受到药物耐药的局限[2]。这些挑战凸显了先进TACE策略的迫切需求，该策略需实现持续栓塞和协同抑制血管生成，从而改善中间至晚期HCC患者的治疗效果[9,10,11]。

索拉非尼是一种多激酶抑制剂，通过阻断VEGF受体（VEGFR）和Raf/MEK/ERK通路直接对抗这一过程，从而抑制血管生成和肿瘤细胞增殖[12,13,14]。尽管几种多激酶抑制剂（如瑞戈非尼、阿帕替尼）已在临床上用于治疗晚期HCC，但索拉非尼被选为本局部TACE系统的模型药物，原因有三：(i) 它仍然是晚期HCC的既定一线标准治疗，药代动力学特征明确；(ii) 它提供了广泛的激酶抑制谱（VEGFR、PDGFR、Raf），支持双重抗血管生成和促凋亡作用；(iii) 通过栓塞微球的持续局部给药，规避了口服给药相关的剂量限制性全身毒性（如手足综合征、高血压），从而改善了TACE联合治疗的风险-收益比。然而，索拉非尼全身口服给药常因剂量依赖性不良事件（包括手足综合征和高血压）而受到限制，影响治疗连续性[15,16]。为解决这一问题，将索拉非尼纳入载药微球（DEB）进行动脉内给药提供了一种极具吸引力的策略。该方法能够在肿瘤内实现持续的高局部药物浓度，同时最小化全身暴露，从而增强抗血管生成疗效和安全性。此外，DEB的控释特性可在时间上与栓塞后的VEGF激增相匹配，为物理栓塞与靶向抗血管生成治疗的结合提供了合理依据[17,18]。

最近，利用先进材料和纳米技术的多功能栓塞系统迅速发展，以解决传统TACE的局限性[19,20,21]。与传统仅依赖血管闭塞的栓塞剂不同，这些系统整合了控释药物与主动干预肿瘤微环境（TME）。实体肿瘤的一个特征是酸性TME，主要由Warburg效应下的乳酸过度积累驱动，这促成了多药耐药、侵袭、转移和免疫逃逸[22,23,24]。酸性肿瘤微环境不仅直接损害某些化疗药物，还通过激活关键信号通路（包括HIF-1α和NF-κB）促进肿瘤细胞生存和适应性，从而限制了TACE的长期疗效[25,26,27]。乳酸显著影响栓塞结果，因为其在营养匮乏条件下保护肿瘤细胞、降低治疗敏感性，并与代谢变化、免疫抑制、异常血管生成和转移密切相关[28,29,30]。因此，中和瘤内酸性微环境已成为增强栓塞治疗的策略。临床证据也证实，瘤内使用碳酸氢钠中和可显著改善TACE反应[28,31]。然而，其在肿瘤部位的快速清除限制了治疗期间肿瘤pH的持续中和[32,33]。相比之下，碳酸钙（CaCO?）纳米颗粒因其强大的酸中和能力、良好的生物安全性以及调节TME增强化疗和免疫治疗疗效的能力而受到广泛关注[34,35,36]。

除了化学功能外，栓塞材料的物理结构工程对治疗性能也至关重要[37,38,39,40]。最近的研究表明，微球形态显著影响栓塞稳定性、血管内组织整合和药物释放行为[41,42,43]。临床可用的栓塞剂包括碘油、胶凝剂和微球基材料。碘油提供暂时性闭塞，但会快速从肿瘤血管中清除[44,45]。胶凝剂提供机械闭塞，但载药能力有限且尺寸控制不佳。微球栓塞剂（包括DC Bead[46,47,48]和HepaSphere）提供精确的尺寸控制、持续药物释放和改善的肿瘤渗透[41,49,50]。我们的系统通过碗状形态增强机械互锁、pH响应性药物释放和主动调节肿瘤微环境，进一步扩展了微球基栓塞的优势。例如，具有不对称碗状形态的栓塞微球相比传统球形微球具有明显优势。其凹面结构使其在血管中互锁更紧密，增强了对血流动力学力的抵抗并改善长期栓塞稳定性[51,52,53,54]。同时，增大的比表面积和独特的表面形貌更有利于内皮细胞粘附和铺展，这可能加速栓塞血管段的内皮化，促进从机械闭塞向生物密封的过渡。此外，这种形态还可影响介质进入亲水凝胶的渗透，从而调节药物释放动力学[55,56]。基于这些结构优势，新兴策略旨在整合形态驱动的栓塞稳定性与响应肿瘤微环境信号（包括酸性pH）的化学设计，以协同实现按需药物释放和免疫调节。总之，这些进展为开发下一代协同栓塞平台提供了理论和技术基础[21,57,58]。尽管取得了这些进展，但仍面临重大挑战，包括在血流动力学条件下实现持久的栓塞留存、促进良性内皮化、克服肿瘤免疫抑制以及通过调节肿瘤微环境克服药物耐药[20,59]。

在本研究中，我们设计并制备了共载索拉非尼和碳酸钙纳米颗粒的透明质酸钠基复合微球（SRF-CaCO?@SH MSs），以解决上述挑战。该系统有两个关键设计特点：微流控技术赋予微球独特的碗状形态，旨在通过机械互锁增强整体稳定性。其次，微球在酸性肿瘤微环境中通过pH敏感条件降解，从而同时释放Ca2?离子和索拉非尼。推测Ca2?释放有助于中和肿瘤酸度并抑制血管生成作用，而索拉非尼提供直接的化疗和抗血管生成活性。这些作用可能协同增强抗血管生成疗效，从而调节免疫微环境。本研究采用系统的体外实验和兔VX2原位肝癌模型体内测试，探究了旨在增强TACE效果的多功能栓塞系统的理化性质、生物安全性和治疗机制。

材料 透明质酸钠（分子量=400000～1000000）购自上海源叶生物技术有限公司。Embospheres（100-300 μm，Merit Medical）作为商业对照。苏木精-伊红（H&E）染色液、AF555 TUNEL试剂盒、DAPI、抗CD31、抗Ki67和抗VEGF抗体购自杭州浩科生物科技有限公司。索拉非尼、氯化钙（CaCl?）、氢氧化钠（NaOH）、1,4-丁二醇二缩水甘油醚（BDDE）、邻-甲酚酞络合酮（OCPC）、L-乳酸……

微球的制备与结构表征 经导管动脉化疗栓塞术是中期肝细胞癌患者的基石治疗。其疗效依赖于完全且持续的栓塞，以及递送的化疗药物持续的局部细胞毒性作用[69,70]。然而，传统栓塞材料或载药微球往往对复杂的肿瘤微环境，特别是轻度酸性条件，反应有限，难以……

结论 总之，我们利用微流控技术制备了均匀的、pH响应的多功能复合栓塞微球（SRF-CaCO?@SH MSs）。这些由透明质酸钠组成的微球呈现独特的碗状形态，可实现药物载量的精确控制。通过将肿瘤微环境调节剂（CaCO?）与化疗药物（SRF）合理整合，该系统实现了肝癌的协同栓塞治疗。碗状结构……

作者贡献 鲍强章：撰写—初稿，形式分析，数据整理，概念构思。李健可：方法学，调查。赵建民：形式分析，数据整理。彭彦武：形式分析，数据整理。Perumal Ramesh Kannan：撰写—审阅与编辑。张翰：方法学，调查。孔向东：监督，资金获取，概念构思。唐睿：方法学，调查。赵瑞博：撰写—审阅与编辑。

关于在稿件准备过程中使用生成式AI和AI辅助工具的声明 在稿件准备过程中，作者使用ChatGPT（OpenAI）进行语言编辑以提高可读性。作者在使用该工具后已对内容进行了审核和编辑，并对出版物内容承担全部责任。

资助 本研究获得国家自然科学基金（No. 32471400）、浙江省自然科学基金重点项目（No. LZ24E020002）、浙江省重点研发计划（No. 2024C03019和2019C04020）以及浙江理工大学生物医学材料学科交叉建设基金的资助。

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伦理批准与参与同意 所有动物程序均获得浙江理工大学动物伦理委员会批准（批准号20260420006），并按照《实验动物照顾与使用指南》执行。

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