钻进深层肿瘤中！AFM,像变形虫一样,借助磁驱动实现肿瘤主动渗透

看过《终结者2》的人一定都对立面的液体金属人印象深刻。除了极强的自愈和模仿能力，其可变形的特点让他能够自由的出入及其狭窄的环境，这一特色让许多科幻迷都羡慕不已。

可变形的液体机器人从狭小的枪孔中钻出

自然界中也存在这种具备变形能力的生物，变形虫就是其中的代表。其内质包含可随虫体的移动而流动的溶胶质。虫体可借伪足进行特殊的变形运动，随伪足的伸缩而变化。拥有这样的可变能力，也许真的可以实现在更小空间的主动变形穿梭。

变形虫（图片源于网络）

目前，已有数十种抗癌纳米药物（尺寸100-200 nm）被批准用于临床应用或临床试验，但是肿瘤组织固有的病理微环境（高渗透压、密集的细胞外基质）严重阻碍了纳米药物在肿瘤组织内部的被动扩散，导致纳米药物在肿瘤组织中的渗透效率以及最终的治疗效果较差。针对上述问题，研究者们开发了多种策略（调节肿瘤微环境、表面配体修饰、尺寸转变）来提高纳米药物的肿瘤渗透效率。然而，当前的这些策略仅在纳米颗粒从血管渗透到肿瘤深处的过程中克服了某一方面的障碍，且严重依赖于缓慢的被动扩散过程。

柔性纳米颗粒具有在外力作用下能够产生形变等特性已被用来增强纳米药物在深层肿瘤组织中的渗透能力。此外，与主要依靠被动扩散的策略相比，外源性磁场可以对纳米粒子施加机械力，从而实现深层肿瘤组织的主动渗透。鉴于此，华南理工大学王均/杨显珠教授团队与合肥工业大学陆杨教授团队合作，设计了一种在磁驱动下的可变形纳米载体，可通过主动渗透至深层肿瘤组织来增强癌症治疗效果。作者利用由常温下可流动的聚磷酸酯 (PHEP)和肿瘤细胞外pH (pH_e) 激活的TAT肽修饰的聚乙二醇 (PEG) 组成的二嵌段共聚物 (^DATAT-PEG-b-PHEP) 包封化疗药物 (DOX)与磁性纳米立方体 (FN)成功制备出柔性磁性纳米颗粒(^DAT-PPE_D&F)。在外加磁场下，磁驱动显著促进了柔性纳米颗粒^DAT-PPE_D&F的深层肿瘤渗透；相比之下，具有相似尺寸的刚性核心的聚乳酸（PLA）基纳米颗粒无明显肿瘤渗透效果，这种主动肿瘤渗透效果归因于在外加磁场下柔性纳米颗粒^DAT-PPE_D&F的变形能力。此外，由于深层肿瘤组织中的酸性环境更强，^DAT-PPE_D&F纳米颗粒的磁驱动主动肿瘤渗透加速了被屏蔽TAT的重新激活，从而进一步增强了肿瘤细胞对纳米颗粒的摄取，使包封的DOX被高效地递送至肿瘤细胞中。作者通过人源乳腺癌 (MDA-MB-231) 异种移植肿瘤模型与小鼠结肠癌 (CT26) 肿瘤模型，全面评价了磁驱动下的^DAT-PPE_D&F纳米颗粒对肿瘤的治疗效果。体内动物实验结果显示，在两种肿瘤模型中，具有主动肿瘤渗透效果的可变形纳米颗粒^DAT-PPE_D&F均达到了优异的治疗效果。

可变纳米颗粒(^DAT-PPE_D&F)的磁驱动深层肿瘤渗透及增强的肿瘤细胞摄取

该研究近期以题为“Magnetically Actuated Active Deep Tumor Penetration of Deformable Large Nanocarriers for Enhanced Cancer Therapy” 于近期发表在了《Advanced Functional Materials》上，表明^DAT-PPE_D&F作为一种通用性、响应性和主动性的纳米载体具有将多种疏水性药物递送至深层肿瘤组织中的潜力。

可变形纳米粒子^DAT-PPE_D&F的制备和表征

通过纳米沉淀法，将疏水性的FN和DOX成功负载到DA修饰的TAT功能化聚乙二醇-聚乳酸嵌段共聚物 (^DATAT-PEG-b-PLA) 形成的纳米颗粒^DAT-PPE_D&F(180 nm)。原子力学显微镜分析表明，由PHEP (T_g= -79.3℃)组成柔性内核的^DAT-PPE_D&F纳米颗粒相比于PLA (T_g= 44.2℃)组成刚性内核的^DAT-PLA纳米颗粒具有更低的杨氏模量。进一步的小孔径滤膜 (100，80，50 nm) 挤压过滤实验证实，在外力作用下，^DAT-PPE_F纳米颗粒具有较高的透过率，而^DAT-PLA_F纳米颗粒几乎不能透过孔径小于自身尺寸的滤膜；且^DAT-PPE_F纳米颗粒在穿透小孔径滤膜后粒径与形貌均无明显变化。上述结果表明柔性内核的^DAT-PPE_F纳米颗粒在外力作用下具有变形特性，从而能够穿过孔径小于自身尺寸的滤膜。

可变形纳米颗粒的表征

磁驱动下的可变形纳米颗粒的瘤内主动渗透与优异的治疗效果

柔性内核的纳米颗粒^DAT-PPE_D&F具有优异的变形能力，基于此我们进一步探究了其在磁驱动下的肿瘤渗透。肿瘤组织的3D成像表明，可变形纳米颗粒在磁驱动下能够较均一的分布在整个肿瘤组织内部，展现出良好的深层肿瘤渗透效果；而刚性内核的^DAT-PPE_DiD&F纳米颗粒在磁驱动下仍然仅分布在肿瘤血管周围。这可能是因为PPE基纳米颗粒的可变形性确保了它们在磁力主动驱动过程中能够更好地穿过肿瘤组织，相比之下，基于刚性PLA的纳米颗粒无法渗透到深层肿瘤组织。

磁驱动可变形纳米颗粒 (^DAT-PPE_D&F) 的主动肿瘤渗透

磁驱动下^DAT-PPE_D&F的深层渗透加速TAT激活增强肿瘤细胞摄取及其优异的抗肿瘤治疗效果

由于深层肿瘤组织中具有更低得pH环境，因此在磁驱动下渗透至深层肿瘤组织的^DAT-PPE_D&F能够更快地激活被屏蔽的TAT肽，从而增加肿瘤细胞对纳米颗粒的摄取。GFP表达的MDA-MB-231模型(MDA-MB-231/GFP)结果表明，相比于^SAT-PPE_D&F/M组与^DAT-PLA_D&F/M组，可变形纳米颗粒^DAT-PPE_D&F在磁驱动下能够显著增加肿瘤细胞中DOX的含量，并提高其在肿瘤组织中的累积。

基于上述可形变纳米颗粒增强的肿瘤渗透与细胞摄取的结果，我们评价了其在体内的抗肿瘤效果。磁驱动下的^DAT-PPE_D&F/M组显示出更高的抗肿瘤效果(抑制率≈98%，几乎完全抑制)。然而，具有刚性内核的纳米颗粒在磁驱动下(^DAT-PLA_D&F/M组)仅表现出较弱的肿瘤生长抑制(抑制率：77%)。

^DAT-PPE_D&F在磁驱动下的优异抗肿瘤效果

磁驱动^DAT-PPE_D&F的深层渗透加速TAT肽的激活，以增强肿瘤细胞的摄取

总结：作者首次报道了一个可变形能力的聚合物纳米载体，其可以在磁驱动下主动渗透并将抗肿瘤药物DOX递送至深层肿瘤细胞中；与之相比，刚性内核的纳米颗粒无法实现上述结果。这种磁驱动的可变形纳米颗粒成功地解决了纳米载体递送过程中从血管渗透到肿瘤组织深层中的多重障碍。此外，这种可变形的^DAT-PPE_D&F纳米颗粒可以作为各种疏水性抗肿瘤药物 (如紫杉醇) 的有效和通用载体，并为其在致密的肿瘤组织中的主动深层渗透提供新的可能。

该论文第一作者为华南理工大学博士生朱跃强与合肥工业大学博士生宋永红，通讯作者为华南理工大学王均、杨显珠教授和合肥工业大学陆杨教授。本工作得到了科技部重点研发计划及国家科学自然科学基金等基金的资助。

论文全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103655

原文刊载于【高分子科学前沿】公众号

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