无药物参与的巨凝胶到纳米凝胶转化技术用于恶性胶质母细胞瘤的重组治疗

《Biomaterials》：Drugless Macrogel-to-nanogel Conversion for Reprogramming of Malignant Glioblastoma

　　

摘要

胶质母细胞瘤是致命性最强、侵袭性最强的脑肿瘤，由于其较差的预后和高复发率而带来 enormous 的临床挑战。尽管手术切除是大肿瘤的主要治疗手段，但其恶性程度和复发率在手术后往往仍会恶化，这凸显了迫切需要有效的术后治疗策略。在这里，我们介绍了一种无需加载抗癌化学药物的宏观到纳米凝胶疗法，这种疗法能够有效地将恶性肿瘤重新编程为良性细胞，同时有助于保护大脑功能。这种具有注射性和可贴合大脑表面的水凝胶在手术后会逐渐分解为纳米凝胶疗法，被残余肿瘤细胞吸收，从而显著延长小鼠的生存期。通过空间分辨率转录组分析，这些材料能够多重下调复发肿瘤中的细胞周期 G1/S 期转换、ERK1/2 信号通路、Wnt 信号通路以及 Ras 蛋白信号传导。

引言

多形性胶质母细胞瘤（GBM）是一种致死性极高的脑肿瘤，即使经过手术切除，中位生存期也仅为 14.6 个月，5 年生存率约为 5.5–6.8%[1]，[2]。尽管神经外科手术结合化疗、放疗和免疫疗法在应对 GBM 方面取得了显著进展[3]，[4]，[5]，但具有快速生长和侵袭性的肿瘤仍会在切除腔附近复发[6]。已经开发出多种抑制局部复发的方法，例如直接向组织内输注抗癌药物、使用可反复给药的可植入脑室内导管（例如 Ommaya 储液器）以及载药的可植入聚合物贴片（例如 Gliadel? 薄片），但目前仍缺乏一种完全有效且无副作用或对正常脑组织无严重损伤的治疗方法。更重要的是，基于抗癌药物（例如替莫唑胺）的典型化疗方法并不适用于所有类型的肿瘤，因为肿瘤存在遗传异质性和耐药性[7]，[8]。即使这些药物能够诱导残余肿瘤的凋亡，也可能由于健康神经元的额外死亡而导致大脑功能丧失[9]。近年来，免疫疗法成为一种有前景的治疗选择，它通过激活患者的先天免疫系统来诱导肿瘤细胞死亡[7]；然而，治疗效果高度依赖于患者的免疫状态和环境因素，如日常生活、饮食和细菌感染。此外，还存在严重的不良反应、自身炎症、免疫反应的变异性以及治疗成本高昂等问题[10]。

除了上述治疗方法的局限性外，最可靠的方法是找到一种能够在手术过程中预防复发和不可预测副作用的有前景的术中疗法。已经进行了许多 I 期和 II 期试验，涉及局部治疗与手术切除的结合；其中，使用植入或注射的材料（例如机械硬度类似海绵的贴片（Gliadel?）、载药水凝胶（OncoGel?）和纳米载体）可以提供持续释放抗癌药物的局部化疗[11]，[12]。然而，这些策略仍然依赖于传统的抗癌药物，与单纯的聚合物基质相比没有显著进步，且无法达到未经治疗患者的疗效和生存率[13]。为了显著改善治疗效果并解决药物耐药性和肿瘤复发问题，填充腔体的材料需要具备以下特性：易于通过注射器或导管进行体外应用；具有模拟正常脑 extracellular 基质（ECM）机械模量的柔软性，并在注射后不会压缩周围组织；材料应能贴合组织随机切除部位的复杂轮廓；不含抗癌药物的版本应能将残余的恶性肿瘤重新编程为良性肿瘤，同时避免导致正常神经元和胶质细胞的额外凋亡，从而恢复大脑功能；最终，材料在完成肿瘤重编程后应能逐渐降解。

在这项研究中，我们介绍了一种可重新编程肿瘤的宏观到纳米凝胶疗法，名为“TREAT”水凝胶，用于治疗 GBM。TREAT 水凝胶主要由透明质酸（HA）组成，这是脑 ECM 中最丰富的成分[14]，[15]，[16]。为了使透明质酸凝胶化，该聚合物经过胺（NH₃⁺）和焦性没食子酸基团的修饰，这两种基团都具有多种生物活性，如抗氧化、抗菌和清除活性氧的能力[17]。在先前的研究中，通过光触发自由基聚合或硫醇-烯反应交联的 HA 水凝胶曾被用作脑肿瘤建模的支架材料，但这反而可能促进肿瘤生长[18]，[19]。然而，含有约 7% 焦性没食子酸和约 54% 胺基团的 HA 聚合物允许分子间交联，从而获得类似组织的模量并调节应力松弛特性，实现自发的凝胶化。当不包封抗癌药物的 TREAT 水凝胶通过传统注射器或导管注射到不规则肿瘤切除部位时（图 1a (i)、(b) 和补充视频 1），它们会与残余的恶性肿瘤贴合（图 1a, (ii)），并逐渐分解为纳米凝胶疗法，肿瘤细胞可以将其吸收，从而抑制肿瘤区域的细胞周期进展和增殖，同时促进肿瘤周围的髓鞘形成和神经发生（图 1a, (iii)）。结果，在 体内 GBM 切除的啮齿动物模型中，用 TREAT 水凝胶填充肿瘤空洞显著提高了生存率。

以下是与本文相关的补充数据：

部分摘录

TREAT 材料设计

TREAT 水凝胶的制备包括两个步骤：首先通过碳二亚胺偶联反应将胺（NH₃⁺）修饰到 HA 主链上，然后通过 Schiff 基团形成反应将焦性没食子酸（GA）共价连接到 HA 主链上（补充图 1）。HA 主链的胺化步骤（ADH 共价程度 DOC_ADH% = 60%）允许部分交联（约 10.6%），因为 ADH 的两个末端胺基团可以发生分子间的反应

材料

2,3,4-三羟基苯甲醛（THB）、己二肼（ADH）、1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）、氘氧化物（D₂O）、多巴胺盐酸盐和酪胺盐酸盐均购自 Sigma-Aldrich。透明质酸钠（HA）购自 Lifecore Biomedical。胺修饰的吲哚菁绿（ICG，用于水凝胶的荧光标记）购自 Bioacts Co。5-羟基多巴胺盐酸盐购自...

CRediT 作者贡献声明

Mikyung Shin：写作 – 审稿与编辑、监督、项目管理、概念设计。Seunghee Jeong：研究工作。Daeun Lee：写作 – 原稿撰写、方法学研究、数据处理。Na Kyeong Lee：方法学研究。Seungmin Ryu：研究工作。Donghee Son：资源支持。Seong-Eun Ryu：方法学研究、数据分析。Seong-Gi Kim：资源支持。Chun Gwon Park：资源支持、方法学研究。Minah Suh：写作 – 审稿与编辑、监督。Jungwoo Kim：原始稿撰写。

数据获取

本研究的所有数据均可根据合理请求向通讯作者获取。原始数据以及我们的 Visium 实验数据（包括 Spaceranger 输出文件、H&E 图像和其他补充文件）已存放在 Gene Expression Omnibus (GEO) 数据库中，访问编号为 “GSE278415”。

代码获取

项目中使用的 R 代码可从以下链接获取：https://github.com/MidoBItrip/TREAT。

伦理审批和参与同意

所有动物实验均按照成均馆大学（Sungkyunkwan University）的机构动物护理和使用委员会（IACUC）发布的指南进行（SKKUIACUC2023-03-07-1、SKKUIACUC2023-01-38-1、SKKUIACUC2024-01-78-1 和 SKKUIACUC2025-05-06-1）。本研究使用人类诱导多能干细胞（hiPSCs）的伦理审批已获得成均馆大学机构审查委员会（IRB）的批准（编号 SKKU 2024-10-017）。我们的研究遵循了...

资金声明

该项目由 基础科学研究所（R015-D1、R015-D2、IBS-R015-Y3、IBS-R015-Y4）提供财务支持。该研究还得到了 韩国政府 （MSIT）提供，项目编号分别为 RS-2026-25504339（M.S. (Mikyung Shin)）、2023R1A2C1004318（M.S. (Minah Suh) 和 RS-2024-00353746 (J.L.)））。

利益冲突声明

所有作者声明与本手稿无关的利益冲突。

致谢

作者感谢韩国全南大学华顺医院的 Kyung-Sub Moon 博士慷慨提供 GL261 细胞系。

Jungwoo Kim|Jaeseung Yei|Daeun Lee|Seunghee Jeong|Seungmin Ryu|Na Kyeong Lee|Seong-Eun Ryu|Donghee Son|Chun Gwon Park|Seong-Gi Kim|Jaecheol Lee|Minah Suh|Mikyung Shin成均馆大学跨学科研究学院智能精准医疗融合部门，韩国水原 16419