温敏性CT可视生物相容性基准标记物的开发与表征及其在图像引导放疗中的应用

《Biomaterials and Biosystems》：Development and Characterization of a Thermo-Responsive, CT-Detectable, Biocompatible Fiducial Marker for Potential Application in Image-Guided Radiotherapy

　　

本研究开发了一种基于聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）负载硫酸钡（BaSO4）的温敏性、CT可视、可注射的基准标记物，用于图像引导放疗中高活动性肿瘤（如结肠癌）的精确定位。研究人员制备了PNIPAM-BaSO4制剂，并在体外、离体和体内评估了其可注射性、固化动力学、CT可见性、稳定性和生物相容性。结果显示，该制剂在室温下可通过细针头轻松注射，暴露于生理温度（37°C）后约15秒内快速固化成凝胶。CT成像显示，随着BaSO4浓度和注射体积的增加，亨氏单位（HU）呈剂量依赖性显著增强。该标记物在体外和体内均表现出长期稳定性，超过三个月无显著降解或信号衰减。组织病理学分析显示，植入部位无局部炎症、纤维化或坏死，远处器官（心、肝、肾、脾、肺）结构正常，表明具有良好的局部和全身生物相容性。MTT实验进一步证实，该标记物对人结直肠癌细胞系（SW480和COLO205）无细胞毒性。研究表明，PNIPAM-BaSO4基准标记物结合了易于注射、快速原位固化、强CT可见性、长期稳定性和优异生物相容性等临床所需特性，为解决结肠癌等高活动性肿瘤在放疗中的定位难题提供了潜在的转化平台。

论文解读文章

一、研究背景与目的

消化道癌症约占全球癌症发病率的24%和癌症相关死亡率的33%，其中结直肠癌（CRC）是全球第三大常见癌症和第二大癌症死亡原因。对于局部区域阶段的结肠癌（II-III期），标准治疗主要为手术联合辅助化疗。尽管体外研究表明结肠癌细胞对放射线高度敏感，但放疗在结肠癌治疗中的应用极为有限。其主要障碍在于结肠因蠕动、肠道运动及呼吸运动导致的高度移动性，使得肿瘤精准定位极其困难，同时周围正常组织对放射线高度敏感，增加了放疗损伤的风险。因此，临床上迫切需要一种能够稳定、精确标记肿瘤位置的方法，以实现对结肠癌的有效放疗。现有的定位策略，如皮肤标记无法用于内部肿瘤，而传统的碳基染料（如印度墨汁、亚甲蓝）在内镜下虽用于术前标记，但这些染料在临床影像模态下不可见，易在组织中扩散、短期内褪色，甚至可能引发炎症和腹膜炎。为此，研究人员假设，基于聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）并负载硫酸钡（BaSO₄）的可植入标记物，将提供一种温敏性、CT可视且生物相容的基准标记物，用于图像引导放疗（IGRT）中高活动性肿瘤（如结肠癌）的精准定位。

二、研究方法概述

研究人员采用流变学测试评估不同浓度PNIPAM溶液在室温下的可注射性，并通过记录37°C水浴中溶液的完全固化时间量化其固化动力学。利用微型CT（micro-CT）分别在体外（96孔板）、离体（碎肉组织模拟软组织环境）和体内（C57BL/6小鼠皮下注射）评估标记物的CT可见性与剂量依赖性关系。通过体外质量保留实验（长达280天）和体内micro-CT信号监测（3个月）评估标记物的长期稳定性。生物相容性评估包括：对植入部位及远处器官进行苏木精-伊红（H&E）染色组织病理学分析，并对炎症、纤维化等指标进行半定量评分；同时采用MTT法检测标记物对人结直肠癌细胞系SW480和COLO205的细胞毒性。

三、研究结果

3.1 PNIPAM-BaSO₄标记物在室温下具有可注射性

流变学测试表明，100和150 mg/ml的PNIPAM溶液粘度低于可注射阈值（约120 mPa·s），而更高浓度（200-250 mg/ml）则不可注射。因此，研究选用最高可注射浓度150 mg/ml进行后续实验，并直观展示了其通过注射器的顺畅注射过程。

3.2 PNIPAM-BaSO₄标记物在体温下快速固化

150 mg/ml PNIPAM溶液在37°C水浴中约15秒内完成从液态到固态凝胶的快速相变。在不同倾斜角度试管中的可视化演示也证实了其在24°C时为自由流动液体，而在37°C时为不流动固体凝胶。此外，初始液体PNIPAM体积（10、25、50 μL）与热转化后形成的水凝胶体积呈线性正相关。

3.3 PNIPAM-BaSO₄标记物在体外、离体和体内均显示剂量依赖性CT信号

体外实验中，BaSO₄浓度与micro-CT信号强度（亨氏单位HU）呈强正相关。离体实验中，注入碎肉的标记物体积与CT信号亦呈强正相关。体内皮下注射实验同样证实了注射体积与CT信号的显著剂量依赖性关系。这表明标记物在多种环境下均具有清晰可见的放射不透性。

3.4 PNIPAM-BaSO₄标记物在体外和体内均显示出长期稳定性

体外质量保留实验显示，标记物在第0至1天因水合作用重量略有增加，但从第1天至第280天，质量保持稳定，无明显降解。体内micro-CT信号监测显示，从注射后1天、4周到3个月，信号强度无显著变化，证明了其长期的体内稳定性。

3.5 PNIPAM-BaSO₄标记物在体外和体内均显示出生物相容性

组织病理学分析显示，植入部位的皮肤与对照（未处理或PBS注射）相比，表皮和真皮层结构完整，无炎性细胞浸润、纤维化、坏死或结构破坏。远处器官（心、肝、肾、脾、肺）的组织形态学正常，未见系统性毒性迹象。组织学半定量评分显示，植入部位仅观察到最低限度的组织反应（所有类别评分均小于1），与PBS对照组无显著差异。

3.6 PNIPAM-BaSO₄标记物体外无细胞毒性

MTT实验结果表明，不同体积的PNIPAM-BaSO₄标记物与人结直肠癌细胞系SW480和COLO205共孵育后，细胞活力维持在80%-110%左右，未观察到明显的细胞毒性效应。

四、讨论与结论

本研究成功开发了一种简单、可注射、温敏性、CT可视的基准标记物。该标记物最显著的临床意义在于可能重新将放疗引入局部区域结肠癌的治疗方案中。由于结肠的高度移动性是阻碍其应用放疗的主要历史障碍，该标记物通过提供稳定的、影像可见的定位参考，有望解决这一难题。该标记物具备多项临床所需的理想特性：室温下易于注射、体温下快速原位固化以防止扩散、强大的CT可见性、长达数月以上的稳定信号，以及优异的局部和全身生物相容性。其设计充分考虑了临床简便性和转化可行性，理论上可在常规结肠镜检查过程中通过微创方式递送，无需改变现有工作流程。此外，所用材料BaSO₄和PNIPAM均为临床广泛应用的材料，这大大降低了转化的监管门槛。该技术不仅限于结肠癌，还可能应用于其他高活动性肿瘤（如肺、肝、胃肠道肿瘤）的放疗定位。未来研究需在大动物模型中评估其在结肠壁内的实际表现，并利用临床级放疗成像系统验证其性能。

研究结论： 研究人员开发了一种简单、可注射、温敏性、CT可视的基准标记物，该标记物具有优异的稳定性和生物相容性。通过提供一个稳定且CT可视的标记物用于潜在肿瘤定位应用，该平台可能有助于解决历史上限制放疗用于结肠癌的主要障碍之一。其给药简便性、与现有临床影像基础设施的兼容性以及使用BaSO₄和PNIPAM等临床成熟材料的特点，共同支持了该技术在图像引导放疗中的进一步发展。