一种双网络可注射水凝胶的协同靶向与刺激响应性药物递送机制，用于提升乳腺癌治疗效果

《International Journal of Pharmaceutics》：Synergistic targeting and stimuli-responsive drug delivery from a dual-network injectable hydrogel for enhanced breast cancer treatment

精准治疗、缓释特性及靶向递送系统。通过Schiff碱反应将N-羧乙基壳聚糖（CEC）与氧化硫酸软骨素（OXCS）交联形成双网络水凝胶ODPDC，负载阿霉素（DOX）和基于乙烷桥双壳介孔有机硅纳米球（DMO）的紫杉醇（PTX）-白蛋白（BSA）-叶酸（FA）纳米递送系统。酸性肿瘤微环境（pH 5.5）下水凝胶坍塌加速DOX释放（56.04%），而DMO-PTX-FA在ODPDC中同步释放（35.10%）。叶酸作为靶向分子增强递送精度，谷胱甘肽（GSH）降解BSA二硫键实现“pH/氧化还原双响应”释药。细胞实验显示ODPDC诱导4T1细胞凋亡率32.2%，促进IL-6（62.47±1.32）和TNF-α（514.00±32.42）分泌，协同抑制乳腺癌。动物实验证实ODPDC无心脏、肝、脾等组织病理损伤，验证其优异生物相容性和降解性。

　　

张富源|李轩|杨世一|唐慈|杨静

长春中医药大学药学院，中国长春130117

摘要

由于具有精确的治疗效果、刺激响应性和缓释特性，可注射水凝胶在乳腺癌治疗中显示出巨大潜力。通过N-羧乙基壳聚糖（CEC）与氧化软骨素硫酸盐（OXCS）的交联反应，我们开发了一种新型水凝胶（命名为ODPDC），该水凝胶载有多柔比星（DOX），并构建了一种纳米药物输送系统（DMO-PTX-FA）。DMO-PTX-FA基于乙烷桥接的双壳介孔有机硅纳米球（DMO），其中装载了紫杉醇（PTX），并进一步覆盖了牛血清白蛋白（BSA）和叶酸（FA）。在酸性肿瘤环境中（pH 5.5），水凝胶倾向于塌陷，导致DOX的释放速度更快（累积释放量为56.04%），而在弱碱性介质中，ODPDC中的DOX则以35.10%的累积释放率释放。叶酸作为一种导航分子，通过与癌细胞表面过表达的叶酸受体结合，显著提高了靶向输送系统的准确性。同时，BSA中的二硫键在肿瘤部位暴露于大量谷胱甘肽（GSH）时可以生物降解，从而释放PTX（累积释放率为39.63%），实现了“氧化还原触发释放”，表现出pH/氧化还原响应的药物释放特性。细胞实验结果表明，ODPDC诱导4T1细胞发生了32.2%的凋亡率，并且IL-6（62.474±1.323）和TNF-α（514.000±32.417）的水平升高，共同促进了肿瘤的消退。在小鼠体内给药14天后，心脏、肝脏、脾脏、肺或肾脏组织未观察到明显的病理变化或坏死。上述结果充分证明了ODPDC具有优异的生物相容性、高生物降解性和强烈的杀灭乳腺癌细胞的能力。

引言

乳腺癌是一种主要疾病（Li等人，2020年），因为其致癌机制（Lu等人，2021年）以及癌症侵袭和转移过程非常复杂（Sung等人，2021年）。尽管在过去几十年中乳腺癌的治疗效果有所改善（He等人，2023年；Su等人，2024年），但非标准的临床治疗仍然存在（Han等人，2024年；Ashrafizadeh等人，2023年）。因此，只有通过加强乳腺癌治疗的改进，积极探索中西医结合的创新治疗方案，并重视中药在癌症治疗中的独特作用，才能更好地减轻乳腺癌的治疗负担（Shi等人，2023年）。

目前，乳腺癌的治疗主要以手术和放疗为主（Ahunbay等人，2012年），晚期患者则采用化疗（Blichert-Toft等人，2008年）。在乳腺癌化疗中，联合使用紫杉醇（PTX）和多柔比星（DOX）是最常见的方法之一。这种联合治疗部分成功的原因在于药物之间的协同效应，它们通过不同的作用机制克服了药物耐药性（Roque等人，2021年；Wang等人，2019年；Feng等人，2019年；Roque等人，2019年；Yu等人，2020年）。临床研究表明，同时输送DOX和PTX比单独使用任何一种药物都能更有效地促进肿瘤消退（Mayer等人，2006年；Bines等人，2014年；Yang等人，2019年）。结合使用DOX和PTX不仅克服了多重耐药性，还减少了每种药物的剂量，从而减少了副作用（Chou和Martin，2005年；Chou，2006年；Franco和Oliveira，2018年；Baabur-Cohen等人，2016年；Liu等人，2014年）。尽管化疗是一种有效的治疗方法，但它也有一些缺点。化疗药物的溶解度低，靶向性差，并且会对正常组织造成显著损伤，导致一些副作用和药物耐药性，使癌细胞对药物失去敏感性（Agwa等人，2023年；Friedman等人，2019年；Kaushik等人，2022年）。因此，开发具有优异生物相容性、高体内稳定性、强治疗效果和精确靶向癌细胞的药物载体是非常有意义的。

近年来，由于水凝胶具有高含水量和多孔性，已成为高效的药物输送载体（Wang等人，2024a；Wang等人，2024b；Wang等人，2024c），特别是在药物装载和控释方面表现出显著优势（Yu和Ding，2008年；Zhao等人，2016年；He等人，2011年；Chang等人，2015年）。这种水凝胶药物输送系统（Xu等人，2023年；Umme Hani等人，2023年；Yan等人，2022年）的结构类似于细胞外基质，提供了独特的性能，包括可调节的生物力学特性、可控的降解性和高生物活性化合物的输送效率（Ma等人，2017年；Alinejad等人，2019年；Pan等人，2019年）。通过将中药的小分子化合物纳入水凝胶中，可以显著提高其溶解度、生物利用度和靶向性，从而增强治疗效果、实现协同药物效应和靶向输送（Zhang等人，2023年）。

基于壳聚糖的多糖水凝胶由于其出色的生物相容性和模仿天然细胞外基质结构的能力，在组织工程应用中成为有前景的生物材料（Chao等人，2019年）。为了提高溶解度，合成了多种壳聚糖衍生物，包括N-琥珀酰壳聚糖（Lu等人，2015年）、N-羧乙基壳聚糖（Wei等人，2015年）、羧甲基壳聚糖（Li等人，2014年）和甘醇壳聚糖（Tseng等人，2015年）。其中，N-琥珀酰壳聚糖表现出优异的生物特性，包括优异的生物相容性、生物降解性、无毒性、延长的血浆循环时间和优先的肿瘤积累能力。N-琥珀酰壳聚糖中丰富的伯胺基团能够与含醛化合物形成席夫碱（Wang等人，2016年）。

软骨素硫酸盐作为一种有效的药物载体，可用于局部或口服输送系统，通过空间和时间控制药物释放来增强治疗效果并减少不良反应。软骨素硫酸盐的过氧化作用会产生含有活性醛基团的氧化软骨素硫酸盐（OXCS），这些醛基团可以与壳聚糖衍生物发生席夫碱反应（Lu等人，2015年；Ma等人，2017年；Chen等人，2019年）。这种化学交联策略制备的水凝胶能够实现靶向药物输送和控释动力学（Hongbin等人，2021年；Alinejad等人，2019年；Pan等人，2019年）。这些水凝胶的三维多孔结构可以包裹游离药物和纳米药物输送系统（NDDS），实现持续释放并减少突发释放，同时具有刺激响应特性。通过物理包封或化学偶联药物分子到纳米载体上，NDDS平台（Sun等人，2023年；Chavda等人，2023年；Raza等人，2019年）解决了溶解性问题，同时提供了可控释放、优异的生物相容性和通过内吞作用的高效细胞摄取（Mehnath等人，2023年）。

将水凝胶基质与NDDS结合，可以产生具有单一组分无法实现的协同特性的复合材料，显著提高了药物输送性能。在各种纳米载体中，介孔硅纳米粒子（MSNs）（Wang等人，2023年；Salarkia等人，2023年；Patel等人，2023年）因其独特的介孔结构、优异的生物相容性和多样的表面修饰能力而成为特别有前景的候选材料（Liu等人，2016年；Slowing等人，2008年；Yu等人，2013年；Tang等人，2012年）。为了在减少不良反应的同时提高治疗效果，研究人员专注于开发响应特定生理刺激的NDDS，从而实现精确的药物释放。

在本研究中，通过一步水热处理模板法制备了乙烷桥接的双壳介孔有机硅纳米球（DMO）。通过将PTX（水溶性较差）装载到DMO上（Duong和Yung 2014年；Ma和Mumper，2014年；Wei等人，2023年；Hao等人，2022年），并用BSA（对肿瘤谷胱甘肽敏感）进行涂层，再覆盖FA（对癌细胞叶酸受体具有高亲和力）（Tavassolian等人，2014年；Abazari等人，2019年；Ahmed等人，2021年；Nguyen等人，2026年），构建了NDDS（DMO-PTX-FA）。通过酰胺键和氢键，DMO-PTX-FA被包裹在由N-羧乙基壳聚糖（CEC）和氧化软骨素硫酸盐（OXCS）组成的三维水凝胶结构中，同时封装了DOX，如图1所示。制备的水凝胶具有双网络结构，对其机械性能、生物相容性和抗癌活性进行了评估。结果表明，这种双网络水凝胶能够实现DOX和PTX的pH/氧化还原响应释放，凸显了其作为协同乳腺癌治疗创新设计策略的潜力。

材料与化学品

软骨素硫酸盐（CS，分子量70 kDa）购自上海盛工生物工程技术服务有限公司。壳聚糖（CTS，分子量30000 kDa）、过氧化钠（NaIO₄，纯度99.5%）、丙烯酸（C₄H₄O₃，纯度99%）、乙二醇（GC，纯度98%）、四乙基正硅酸盐（TEOS，纯度98%）、紫杉醇（PTX，纯度98%）、氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES，纯度99%）、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺（EDC，纯度98%）购自上海麦克莱恩生化技术有限公司。氢氧化钠（NaOH，纯度AR）

DMO-PTX-FA的制备与表征

DMO通过CTAB模板法和水热法合成。SEM分析（图1A）证实了其高球形度、优异的分散性和均匀的尺寸（约200 nm），破裂的纳米球中可见核壳结构。TEM分析（图1B）显示了其明确的双桥介孔结构、光滑的表面和优异的球形度，尺寸约为200 nm。

DMO-NH₂表面的硅羟基（Si–OH）赋予了其显著的

结论

总结来说，通过OXCS和CEC之间的席夫碱反应合成了OC，随后将DOX装载到所得的OC中。pH依赖性的膨胀行为和药物释放曲线清楚地证实了OC的pH响应释放能力。同时，为了提高OC的稳定性并实现精确的肿瘤靶向治疗，我们合成了DMO，用BSA和FA修饰其表面，并通过酰胺键和氢键将其与OC连接，创建了双响应、多目标的ODPDC。

未引用的参考文献

Duong和Yung，2013年；Ma和Mumper，2013年；Mehnath和Jeyaraj，2023年。

CRediT作者贡献声明

张富源：撰写——原始草稿、验证、研究。李轩：方法学。杨世一：方法学。唐慈：资源、方法学。杨静：撰写——原始草稿、资源获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了吉林省科学技术厅（YDZJ202401072ZYTS）的科技项目支持。