一种具有自驱动性能的类电池水凝胶，可用于术后肿瘤治疗中的自主pH值调节和免疫激活

《Biomaterials》：A self-initiating battery-like hydrogel for autonomous pH normalization and immune activation in postoperative tumor therapy

　　

摘要

术后复发和转移仍然是癌症死亡的主要原因，这在很大程度上是由于手术伤口修复过程中不可避免产生的酸性环境所导致的。然而，目前的pH调节策略仅具有短暂的效果，并且反应被动，无法适应术后微环境的渐进性和波动性的酸化过程。在这里，我们报告了一种可植入的、自启动的类似电池的水凝胶，它能够自主感知pH变化并通过精心设计的内部氧化还原反应持续中和酸性。该水凝胶使用Fe³⁺-槲皮素作为氧化还原单元，导电聚合物聚(3,4-乙二醇二氧噻吩)（PEDOT:DSS）作为电子介质，实现了与H⁺消耗相关的槲皮素-醌类物质的循环。这种水凝胶提供了宽广的pH调节窗口，可以覆盖术后pH的波动范围（pH 5.3-6.8），并将其稳定在中性状态，从而防止促复发酸性环境的形成。同时，嵌入的水凝胶中含有载有同环哈灵顿碱（homoharringtonine）的纳米颗粒，这些颗粒可以促进M2型巨噬细胞向M1型巨噬细胞的极化。幸运的是，该系统能够清除残余肿瘤细胞并重塑免疫抑制性的微环境，从而将肿瘤复发率降低约95%，同时防止转移并建立持久的免疫记忆。凭借其生物相容性和适用于不规则肿瘤床的柔性结构，这种类似电池的水凝胶成为术后肿瘤管理的一种有前景的免疫治疗平台。

引言

外科手术切除仍是实体瘤治疗的基石，但术后复发和转移仍占癌症相关死亡的30-70%，而现有的标准治疗方案仍存在不足[1],[2]。越来越多的证据表明，术后肿瘤床是一个代谢活跃的修复性微环境。在这个微环境中，修复反应包括炎症、细胞增殖、血管重塑和缺氧，这些过程共同增加了手术部位的糖酵解产生的乳酸和质子外流[3],[4],[5]。这种产酸反应导致术后局部细胞外pH值约为6.8，并可能在严重炎症、缺血或灌注不良的微区域进一步降低到5.3-6.7[6],[7],[8]。短暂的酸性环境最初有利于组织修复，但持续的酸性状态会发展成促进肿瘤复发的病理因素[9],[10],[11]。这种持续的酸性状态通过促进免疫抑制、血管生成、细胞外基质降解和上皮-间充质转换[12],[13],[14],[15]，促使残余肿瘤的存活和再生。因此，维持手术部位接近中性的pH值对于防止术后复发和转移至关重要。

尽管已经提出了多种调节术后酸性的策略，但它们的整体效果仍然有限。碱性配方和酶抑制系统可以缓解酸性，但一旦缓冲剂或药物成分耗尽，酸性环境就会再次出现[16],[17],[18],[19]。此外，酶抑制剂的效果仅限于表达酶的区域，无法解决术后复杂的多因素酸化问题[20]。一些基于聚合物的缓冲水凝胶通过胺类或肼基等功能基团的可逆质子化来维持接近中性的条件[21],[22]。然而，这些基团的暴露依赖于非特异性的结构变化（如水凝胶膨胀），而不是精确的酸度感知，导致pH调节缓慢且效率低下。随着质子的持续积累，缓冲平衡迅速达到饱和，使得调节范围仅限于狭窄的pH范围内（pH 5.3-6.8）[23],[24]。更重要的是，所有这些系统都没有自我调节或交互反馈机制，无法适应手术部位的渐进性和波动性的酸化过程[25]。因此，一种能够自主感知pH值并在整个治疗过程中对抗病理性酸化的系统是非常必要的，但也是具有挑战性的。除了酸性环境外，术后肿瘤床还会迅速被免疫抑制性巨噬细胞重新占据，这些巨噬细胞通常占术后免疫细胞的30-50%，进一步加速了由酸性引起的肿瘤复发[26],[27]。这些并发的病理特征凸显了需要一种结合自主pH调节和巨噬细胞重编程的综合策略，以抑制术后肿瘤的再生和转移。

在这里，受到电池系统中持续氧化还原循环的启发，我们开发了一种可注射的、自启动的类似电池的水凝胶（MH@Man/EGel），用于在术后微环境中自主调节酸性和重编程巨噬细胞（图1）。该系统首先将Fe³⁺-槲皮素（Fe-Q）作为氧化还原单元和导电聚合物PEDOT:DSS钠盐（PEDOT:DSS）加入席夫碱交联的基质中，制备出水凝胶（EGel），然后加载载有同环哈灵顿碱（HHT）的甘露糖包覆中孔二氧化硅纳米颗粒（MH@Man）。中孔二氧化硅纳米颗粒作为已建立的HHT载药载体，而甘露糖则使水凝胶能够靶向M2型巨噬细胞。在EGel运行过程中，Fe-Q自主感知H⁺并解离释放槲皮素，启动氧化还原循环。释放的槲皮素在活性氧（ROS）和氧气的参与下被氧化成醌类物质，随后这些醌类物质从PEDOT:DSS网络中接受电子并还原回槲皮素，从而消耗H⁺，完成一个氧化还原循环。再生的槲皮素不断进入后续的氧化还原循环，确保持续消耗H⁺，并将术后组织的pH值提高到接近中性的水平。这种自主的pH调节系统提供了宽广的调节范围（pH 5.3-6.8），并持续有效长达14天，有效缓解了整个术后酸化范围内的动态酸中毒。值得注意的是，pH门控设计仅在病理酸性条件下启动类似的电池氧化还原循环，从而降低了过早激活和反应性耗尽的风险[28],[29]。同时，术后酸性还会触发MH@Man从席夫碱水凝胶网络中释放。经过M2型巨噬细胞的甘露糖介导的摄取后，MH@Man释放HHT，抑制丝氨酸代谢并促进M1型巨噬细胞的极化，从而增强残余肿瘤的清除。通过结合pH值矫正和巨噬细胞重编程，该系统协同作用，重塑了术后免疫抑制性微环境，抑制了肿瘤复发和转移，并在体内建立了持久的免疫记忆[30],[31]。重要的是，这种类似电池的水凝胶的生物相容性前体可以通过注射器直接应用于术后肿瘤部位，在原位迅速凝胶化，并适应不规则的切除腔体。

章节片段

MH@Man/EGel的制备与表征

多功能水凝胶系统的合成过程如图2a所示，首先制备pH调节的水凝胶（EGel），然后加载MH@Man纳米颗粒。最初，通过在Fe³⁺和过硫酸铵的存在下使乙二醇二氧噻吩（EDOT）单体氧化聚合来制备PEDOT。如图2b所示，聚合后EDOT中的噻吩环的C-H振动峰（892 cm^-1）消失，同时出现了新的C-C伸缩峰（约1300 cm^-1）

结论

即使在完全切除肿瘤后，仍有30-70%的患者出现术后复发或转移，这仍然是癌症相关死亡的主要原因。传统的术后治疗策略主要集中在通过化疗、放疗或靶向治疗消灭残余癌细胞，但这些方法的效果有限，因为现在认识到术后复发主要是由变化的微环境而非单纯的残余恶性细胞驱动的。

材料

除非另有说明，所有化学品和溶剂均为分析级。3,4-乙二醇二氧噻吩（EDOT）和同环哈灵顿碱（HHT）来自中国上海的豫源生物技术公司。槲皮素购自中国北京的Aladdin试剂公司。MSN-NH₂纳米颗粒由江苏的前沿纳米材料技术公司提供。蛋白酶抑制剂、磷酸酶抑制剂、结晶紫染色液、钙黄素-AM、罗丹明B和胶原酶IV均来自Solarbio技术公司

CRediT作者贡献声明

Wenyan She：论文撰写——原始草稿、可视化、方法学设计、实验设计、资金获取、概念构思。Xinyi Ding：可视化、验证、软件开发、方法学设计、实验设计、概念构思。Qianran Cao：可视化、验证、软件开发、方法学设计、概念构思。Yaqian Song：方法学设计、实验设计。Chenxi Huang：论文撰写——审稿与编辑、验证。Lin Hou：论文撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、方法学设计、实验设计、资金筹集。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了河南省省的科技创新团队计划（26IRTSTHN031）、中原科技创新领军人才计划（264200510049）、国家自然科学基金（82172719）、河南省的科技研发计划联合基金（232301420011）以及中国博士后科学基金会的博士后奖学金计划（B级）（GZB20250830）的支持。

Wenyan She|Xinyi Ding|Qianran Cao|Yaqian Song|Chenxi Huang|Lin Hou郑州大学药学院，中国郑州450001