《Journal of Drug Delivery Science and Technology》：A Thermosensitive Injectable Hydrogel for Localized Chemo-Sonodynamic Synergy via a Hypoxia-Relieving Manganese-Phycocyanin Depot
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摘要局部治疗是一种极具前景的策略，可在降低全身毒性的同时提升抗癌效果，但其效果往往因药物在肿瘤内的滞留不足、肿瘤缺氧限制了声动力疗法的效力以及药物释放失控而受到影响。为解决这些难题，研究人员将负载紫杉醇的锰矿化藻蓝蛋白纳米颗粒嵌入PLGA-PEG-PLGA基质中，制成了名为Mn-
摘要
局部治疗是一种极具前景的策略，可在降低全身毒性的同时提升抗癌效果，但其效果往往因药物在肿瘤内的滞留不足、肿瘤缺氧限制了声动力疗法的效力以及药物释放失控而受到影响。为解决这些难题，研究人员将负载紫杉醇的锰矿化藻蓝蛋白纳米颗粒嵌入PLGA-PEG-PLGA基质中，制成了名为Mn-PCNP-PTX@PPP的热敏感可注射水凝胶，该水凝胶可作为局部药物储存库。核心的Mn-PCNP通过一步交联和生物矿化反应制备，呈球形结构（246 ±10.3纳米），可缓解肿瘤缺氧状况。它具有双重功能：藻蓝蛋白纳米颗粒既可作为声敏剂和药物载体，在超声作用下产生单线态氧并释放紫杉醇；同时，生物矿化的二氧化锰能催化体内过氧化氢分解为氧气，从而减轻缺氧状况并增强声动力疗法的效果。这种热敏感PPP水凝胶在体温下会转变为可注射的储存库，具有持续的生物降解性（40天内降解约70%），并且药物释放呈两相特征（5天内快速释放30%，15天内累计释放65%），从而确保药物在肿瘤内长期滞留。在鼠S180肉瘤模型中，Mn-PCNP-PTX@PPP水凝胶与超声结合使用，实现了局部化学-声动力协同作用，使肿瘤抑制率高达84.2%，且未引发显著的全身毒性。这项研究提供了一种多功能平台，将能够缓解缺氧的锰-藻蓝蛋白储存库整合到可注射水凝胶中，实现局部化学-声动力协同效应，为精准治疗实体瘤提供了一种安全有效的策略。
引言
局部治疗和肿瘤内治疗作为实体瘤治疗的重要手段，越来越受到关注，因为它们能够将治疗药物或能量限制在肿瘤区域内，从而提高局部药物浓度，同时减少全身不良反应。尤其是局部药物储存库和可原位形成的生物材料，能够在较长时间内维持较高的肿瘤内药物浓度，而这正是传统全身给药难以实现的[1]。这类局部治疗策略还与多种治疗方式（如化疗、光疗、声动力疗法）相兼容，已被广泛用于提高治疗效果和患者的耐受性[2]、[3]。尽管颇具吸引力，但局部治疗往往存在一些实际限制，影响其治疗效果的持久性。许多局部注射的药物会通过间质液迅速排出或从注射部位扩散开，导致肿瘤内药物滞留不足，治疗窗口缩短。即便药物留在肿瘤部位，局部给药也无法保证药物在肿瘤内的均匀分布，由于肿瘤结构的异质性以及间质压力较高，药物暴露往往存在空间差异，可能导致部分存活的肿瘤细胞未被杀死[4]。对于需刺激激活的治疗系统而言，其效果在很大程度上取决于肿瘤微环境。在实体瘤中，持续的缺氧现象以及抗氧化防御机制会削弱基于活性氧的治疗效果，从而限制了即使药物能在肿瘤内有效滞留所能带来的协同效应[5]。综上所述，这些限制凸显出需要开发出能够同时实现以下功能的局部治疗平台：延长药物在肿瘤内的停留时间、以可控方式调节药物释放，以及主动改变肿瘤微环境以促进刺激引发的细胞毒性作用。
若要充分发挥局部治疗作为重要肿瘤学策略的作用——即在提升治疗效果的同时降低全身毒性——就必须克服一系列关键的给药障碍[6]。这些障碍不仅包括实际的给药问题，还包括阻碍协同治疗的微环境限制。一个有前景的方向是实现局部化学-声动力协同作用，即将化疗与声动力疗法相结合，以增强抗肿瘤效果[7]、[8]。然而，要实现这种协同效应，必须克服两大难题：一是缺氧的肿瘤微环境，它会限制活性氧的产生，从而削弱声动力疗法的效果[9]、[10]；二是传统局部给药系统存在的药物滞留不足和释放失控问题[11]、[12]。因此，设计一种能够同时解决这两大问题的集成型平台，对于发挥强大的抗肿瘤效果至关重要[13]、[14]。
在各类局部给药平台中，热敏感可注射水凝胶是一种颇具吸引力的选择，尤其是那些在接近生理温度（如25摄氏度时为溶液状态，37摄氏度时变为凝胶状态）下会发生溶胶-凝胶转变的水凝胶[15]。基于PLGA-PEG-PLGA这类三嵌段共聚物的水凝胶因其优异的生物相容性、可调控的降解动力学，以及注射后能够紧密填充肿瘤腔体、从而确保药物在肿瘤内长期滞留并减少脱靶效应的特点，而备受重视[16]、[17]。虽然这类PPP水凝胶已能提供良好的空间控制能力并实现持续释放，但若能加入能够主动调节肿瘤微环境或对外部刺激作出反应的功能组分，其治疗潜力还能进一步提升。这样的设计可将原本被动的载体转变为具有主动治疗作用的物质。
基于我们团队此前在开发藻蓝蛋白纳米颗粒作为声敏剂和药物载体方面的研究成果，我们进一步对该平台进行了优化，旨在直接应对肿瘤缺氧这一关键问题。为此，我们通过用锰元素矿化天然且具有生物相容性的藻蓝蛋白，设计出了一种能响应缺氧条件的锰-藻蓝蛋白储存库（Mn-PCNP）。藻蓝蛋白的纳米载体形式对于提升其稳定性和在肿瘤内的积累效率具有重要意义[18]、[19]。我们认为，我们的Mn-PCNP储存库是通过催化机制发挥作用的：在纳米颗粒内部，二氧化锰能够催化体内的过氧化氢分解为氧气，同时产生单线态氧[9]、[20]，从而缓解肿瘤缺氧状况。这种催化作用不仅能增加可用于增强声动力疗法的氧气含量，还能直接促进活性氧介导的细胞毒性作用，为实现协同治疗奠定了基础[21]。
受上述进展的启发，我们设计并开发了一种集成的、可注射的热敏感水凝胶系统，该系统结合了化疗药物和声动力疗法药物，同时还具备调节肿瘤微环境的能力。该系统由以下功能组分构成：（1）锰矿化藻蓝蛋白纳米颗粒（Mn-PCNP），它兼具声敏剂和缓解缺氧作用的双重功能；（2）热敏感的PLGA-PEG-PLGA水凝胶，可作为可注射的储存库，实现药物的局部按需释放。设计该系统的目的是为了实现对药物释放的时空控制，同时缓解肿瘤缺氧状况，并促进超声诱导的活性氧生成。通过结合生物矿化和交联策略，我们让Mn-PCNP具备了特定的物理化学性质和功能特性。随后，我们将化疗药物紫杉醇加载到这些纳米颗粒上，形成Mn-PCNP-PTX复合颗粒，再将它们嵌入PPP基质中，最终得到了Mn-PCNP-PTX@PPP这种复合平台。
本研究旨在通过一种能够缓解缺氧的锰-藻蓝蛋白储存库，构建一种热敏感可注射水凝胶，以实现局部化学-声动力协同治疗。为验证这一平台的有效性，我们的研究将分多个阶段进行：首先，建立稳定的Mn-PCNP储存库合成方案，确保其具备较强的声敏作用和缓解缺氧的能力，同时制备出具有适宜凝胶化温度和持续释放特性的PLGA-PEG-PLGA水凝胶。之后，将通过体外模型系统评估Mn-PCNP-PTX@PPP复合系统的治疗效果和安全性，这些模型包括检测药物释放情况、活性氧生成量以及生物相容性；随后还将通过体内实验研究该系统的抗肿瘤效果、肿瘤微环境的改变情况以及全身安全性。本研究将局部化疗、声动力疗法以及缓解缺氧的功能整合到一种可注射的平台上，提出了一种新的联合治疗策略，旨在提高治疗的精确度和有效性，同时降低全身毒性。
章节要点
材料
所有化学品均按其原始状态使用。冻干状的藻蓝蛋白粉末购自浙江台州滨美生物技术有限公司。紫杉醇、戊二醛、乙二醇二甲基丙烯酸酯、辛酸亚锡、乳酸、乙交酯、聚乙二醇（分子量为1000）则购自国药集团化学试剂有限公司或其他文献中指定的供应商。细胞培养试剂（RPMI 1640培养基、胎牛血清、青霉素-链霉素混合液）则来自
Mn-PCNP和Mn-PCNP-PTX纳米颗粒的制备与表征
透射电子显微镜观察显示，Mn-PCNP和Mn-PCNP-PTX纳米颗粒均呈近似球形，直径约为150纳米（见图1A）。动态光散射测量结果（见图1B）进一步证实，含0.3毫克二氧化锰的Mn-PCNP的水动力直径为246 ±10.3纳米，多分散性指数为0.16；而Mn-PCNP-PTX纳米颗粒的直径略大，为286±9.7纳米，多分散性指数为0.21。较大的水动力直径
结论
本研究展示了一种热敏感可注射水凝胶，它通过一种能够缓解缺氧的锰-藻蓝蛋白储存库来实现局部化学-声动力协同治疗，从而解决了局部肿瘤治疗中的若干瓶颈问题：药物在肿瘤内的滞留不足、肿瘤缺氧微环境导致的疗效受限，以及潜在的全身毒性。通过将具有缓解缺氧功能和声敏作用的二氧化锰-藻蓝蛋白纳米储存库与可原位形成的PLGA-PEG-PLGA热凝胶相结合，这种平台实现了
CRediT作者贡献说明
曹进：撰写——审阅与编辑、研究指导、资源提供、项目管理。卢晓敏：撰写——审阅与编辑、研究指导、资源提供、资金获取。马琳：撰写——初稿撰写、方法设计、实验开展、概念构思。沈玉成：软件应用、方法设计、数据整理。刘健：撰写——初稿撰写、方法设计、数据分析、概念构思。王欢：可视化处理、结果验证、数据整理。钱晨瑶：可视化处理、结果验证、数据整理。叶
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
关于写作过程中使用生成式AI及AI辅助技术的声明
在准备本研究的过程中，作者使用了ChatGPT-4来提升文本的语言表达质量和可读性。
利益冲突声明
? 作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：曹进表示自己获得了中国国家自然科学基金的资金支持。其他作者则声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金的资助（项目编号为82003649）。作者们还要感谢海安人民医院对这项研究的支持。同时，我们也感谢在线工具Figdraw在制作图形摘要过程中所提供的帮助。
Jian Liu|Lin Ma|Yucheng Shen|Ye Qian|Jin Chen|Huan Wang|Chenyao Qian|Jin Cao|Xiaomin Lu
