仿生原位增强磁性胶体凝胶用于肝细胞癌经动脉栓塞与磁热协同治疗

《Research》：Bioinspired Reinforcement of Magnetic Colloidal Gel for the Embolization of Hepatocellular Carcinoma

　　

经动脉栓塞（transarterial embolization, TAE）是肝细胞癌（hepatocellular carcinoma, HCC）的重要治疗方式。然而，临床使用的栓塞剂易发生快速再通和非特异性栓塞。尽管由纳米颗粒组成的胶体凝胶（colloidal gels）因其作为血管栓塞剂的较大潜力而受到认可，但由于机械性能较弱，这些凝胶在高血流速度动脉中长期稳定栓塞面临挑战。为解决这些困难，研究人员开发了原位增强（in situ reinforcement）策略，以提高胶体凝胶的栓塞压力。受植物根系分泌有机酸溶解碳酸钙（calcium carbonate）并吸收钙离子、最终强化细胞壁的启发，研究人员将海藻酸钠（alginate, Alg）和碳酸钙引入由明胶（gelatin）和氧化铁纳米颗粒（iron oxide nanoparticles, IONs）组成的胶体凝胶中，构建了仿生增强水凝胶（bioinspired reinforced hydrogel）。碳酸钙纳米颗粒（CaCO₃ NPs）解离释放Ca²⁺，其与海藻酸钠交联，从而增强凝胶的机械性能。该仿生增强水凝胶表现出顺畅挤出性和稳定栓塞性。此外，氧化铁的引入赋予水凝胶磁场响应性（magnetic field responsiveness），使其能够实现肿瘤热疗（tumor hyperthermia）。鉴于这些独特优势，该仿生增强水凝胶有望作为治疗肝细胞癌的新型栓塞剂。

经动脉栓塞（transarterial embolization, TAE）是肝细胞癌（hepatocellular carcinoma, HCC）的重要治疗手段，但临床栓塞剂存在快速再通和非特异性栓塞等问题。固体栓塞剂对不规则肿瘤血管填充不足且易聚集，液体栓塞剂虽流动性好但栓塞强度较低、易被血流清除；可注射水凝胶因剪切变稀而适用于复杂血管，但物理胶体凝胶（colloidal gel）机械性能弱，植入后在高剪切血流下易破裂并导致异位栓塞。为提升物理胶体凝胶的长期稳定栓塞能力，研究人员受小麦根分泌有机酸溶解土壤碳酸钙、吸收钙离子并强化细胞壁的过程启发，将海藻酸钠（alginate, Alg）和碳酸钙纳米颗粒（CaCO₃ NPs）引入由明胶纳米颗粒（gelatin nanoparticles, GNPs）和氧化铁纳米颗粒（iron oxide nanoparticles, IONs）构建的磁性胶体凝胶（magnetic colloidal gel, MCG）中，制备Ca²⁺螯合Alg增强的MCG（CAMG），并筛选C_0.5AMG、C_1.0AMG和C_1.5AMG。研究得出，C_1.0AMG兼具顺畅导管挤出性、原位增强机械性能和磁热治疗（magnetic hyperthermia, MHT）潜力，可实现长期栓塞并与MHT协同抑制HCC。该研究发表在《Research》，其意义在于提出仿生原位增强策略，为物理胶体凝胶用于HCC经动脉栓塞联合热疗提供新思路。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员采用两步去溶剂法制备GNPs，一锅溶剂热法制备聚丙烯酸（PAA）包覆的IONs，气体扩散法制备CaCO₃ NPs；通过pH调控ζ电位及葡萄糖酸-δ-内酯（GDL）酸化诱导GNPs与IONs静电自组装形成MCG，并引入Alg与CaCO₃ NPs制备C_xAMG；采用扫描电子显微镜（SEM）、动态光散射、X射线衍射（XRD）、流变学、注射力测试和体外模拟血液循环栓塞压力测试；体内采用新西兰兔肾动脉栓塞模型（n=5）和兔原位HCC模型（n=5），结合数字减影血管造影（DSA）、计算机断层扫描（CT）、彩色多普勒超声（CDU）、对比增强超声（CEUS）、苏木精-伊红（H&E）/普鲁士蓝（PB）染色及交替磁场（AMF）MHT。

结果部分：

制备与水凝胶表征（Preparation and characterization of hydrogel）：通过ζ电位、SEM、元素分布、力学负载、成模和流变学等研究，表明GNPs与IONs经静电组装形成三维MCG网络，Alg和CaCO₃ NPs均匀分布并形成双网络CAMG；C_1.0AMG在120 min内G′由615.7±39.8 Pa升至7,284.5±164.2 Pa，提升超过10倍，且新鲜凝胶可经2.6-F导管顺畅挤出，确定1.0% w/v CaCO₃ NPs和2% w/v Alg为优化配方。

体外栓塞性能（In vitro embolization performance）：通过模拟血液循环系统和肿瘤仿体模型测试，MCG栓塞压力为12.1±1.6 kPa，低于血压；C_1.0AMG在0 min为22.2±1.2 kPa，120 min达69.9±6.0 kPa，足以阻断动脉血流；荧光示踪显示MCG发生再通，而C_1.0AMG在肿瘤仿体血管内保留并阻断模拟血流，表明其具有稳定栓塞潜力。

体内肾动脉栓塞（In vivo renal artery embolization）：通过新西兰兔肾动脉栓塞模型（n=5）、DSA、CT、CDU、CEUS、三维重建、解剖及H&E/PB染色等研究，表明C_1.0AMG-I可填充肾动脉分支，栓塞后右肾无对比剂灌注并显著萎缩，D28血管内仍可见水凝胶残留，无肺、心、脑、肝、脾异位栓塞，主要器官未见明显异常，显示长期栓塞效果和生物相容性。

兔原位HCC动脉栓塞与磁热治疗（In vivo arterial embolization and magnetic hyperthermia in rabbit with orthotopic HCC）：通过AMF下升温测试和兔原位HCC模型（n=5）研究，C_1.0AMG在15和25 kA m^?1下2 min内升至60 °C；经2.6-F微导管可在4 min窗口内完成肿瘤供血动脉递送和栓塞，CAMG+MHT组肿瘤体积减少62.4±6.3%，优于Lipiodol+多柔比星（DOX）组的30.2±7.3%；H&E示肿瘤细胞核变形、凋亡和广泛坏死，PB示不同大小肿瘤血管内残留水凝胶，周围肝实质未见明显坏死或炎症影像，表明TAE联合MHT可增强抑瘤效果。

讨论部分总结：讨论强调物理胶体凝胶机械性能弱且剪切变稀，植入后难以承受血流冲击，因此需要安全有效的原位增强；Alg与二价离子形成“egg-box”交联，2% w/v Alg可兼顾注射性与初始机械支撑，1.0% w/v CaCO₃ NPs因Ca²⁺释放和交联较均匀而优于0.5%和1.5%配方；C_1.0AMG实现可注射、原位增强、长期栓塞及MHT协同抑瘤。研究结论部分翻译：总之，受小麦根分泌有机酸降解土壤中碳酸钙、吸收钙离子并强化细胞壁过程的启发，研究人员开发了一种仿生增强水凝胶，其机械性能增强，适合联合MHT栓塞肿瘤血管。增强的MCG通过自下而上自组装策略形成。在该系统中，球形纳米颗粒聚集体之间的间隙由天然多糖Alg填充。与Ca²⁺螯合后形成丰富交联，从而增强原胶体凝胶系统的机械性能。GDL缓慢水解产生H⁺，使CaCO₃ NPs酸化产生Ca²⁺，与Alg螯合，表现出类似小麦细胞壁硬化的过程。体外和体内实验证明，该策略增强了静电组装胶体凝胶的机械性能，产生优异栓塞效果，并在与MHT联合后进一步放大。总体而言，该方法为HCC未来临床治疗提供了新机会和策略。