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光热疗法（PTT）可通过局部高温快速*伤杀**肿瘤，但是由于肿瘤边缘不规则，正常组织和坏死组织界限模糊，单一PTT无法达到理想效果，过高的温度会引起局部组织严重炎症。近日，来自 广东省肿瘤介入诊疗重点实验室的占美晓、彭绍军教授团队和同济大学袁伟忠教授团队 进行了基于透明质酸-壳聚糖衍生物的可注射纳米复合水凝胶用于抗炎同时光热-化疗癌症的相关研究。 研究成果以“Injectable nano-composite hydrogels based on hyaluronic acid- chitosan derivatives for simultaneous photothermal-chemo therapy of cancer with anti-inflammatory capacity”为题于2023年02月18日发表在《Carbohydr. Polym.》上。
图1 实验设计流程及机制
本文使用氧化透明质酸（OHA）和羟丙基壳聚糖（HPCS）通过亚胺键制备一种可注射复合水凝胶，将其作为功能物质传递基底。在凝胶介质中，中孔聚多巴胺（MPDA）纳米颗粒作为高效光热剂和DOX储存器，实现良好光热转换性能和脉冲式药物释放。此外，在复合水凝胶中加入姜黄素-环糊精-客体包合物（CUR@NH2-CD）可以减少PTT引起的炎症。 该复合水凝胶凭借MPDA的光热效应、DOX的化疗作用和CUR的抗炎作用，在体内显示出良好抑制Hepa1-6肿瘤的作用。未来该复合水凝胶在肿瘤综合治疗领域具有广阔的前景。
图2 DOX@MPDA纳米颗粒和CUR@NH2-CD制备
使用TMB和PF-127作为有机模板，通过单锅合成方法制备MPDA纳米颗粒。使用TRIS和乙醇分别作为催化剂和助溶剂，超声处理去除模板。X射线光电子能谱（XPS）研究MPDA纳米粒子化学结构显示：C1s（285 eV）、N1s（399 eV）、O1s（545 eV）。 典型峰值来自于MPDA超分子结构，由多巴胺和中间同构体单元组成。 通过DLS分析，MPDA纳米颗粒流体力学直径显示MPDA纳米颗粒尺寸集中在183.7±5.8纳米，多分散指数（PDI）结果表明纳米颗粒均匀性良好。此外，通过TEM观察，MPDA纳米颗粒呈球形形态，表面粗糙，有直径低于20纳米的不规则孔隙。氮吸附-解吸曲线结果为IV型等温线，属于典型介孔材料。 MPDA纳米颗粒凭借其纳米级球形结构、大比表面积和介孔结构，可以作为优异的药物输送基质。
图3 可注射复合水凝胶的制备和表征
流变学进一步研究加载功能物质水凝胶的机械性能。结果显示功能物质的引入可以在一定程度上改善水凝胶的G′和抗拉强度。在整个频率扫描范围内，纳米复合水凝胶G′大于G″，表明所得到的水凝胶具有机械稳定性。接着在恒定的频率下，振荡应变交接替规律变化用来监测损伤或自愈过程。 结果显示复合水凝胶具有快速重建能力，表明复合水凝胶具有良好的自我修复能力。MPDA纳米颗粒不仅具有较高的负载能力，而且具有良好的近红外吸收特性，使得MPDA纳米颗粒具有独特的光热性能。 水凝胶在冷却到室温后仍能上升到相同温度，当复合水凝胶温度上升到60℃时，水凝胶形态没有明显变化，仍然保持有利凝胶状态。温度升高降低了水凝胶的G′，但并没有改变凝胶性能，根据不同温度下应变和频率扫描，其性能保持稳定。复合水凝胶具有良好可注射性，可以被人工注射成各种形状。 上述结果表明，凭借优秀光热转换性能，复合水凝胶适合于光热治疗。
图4 体外细胞毒性评价
研究人员将L929细胞与不同梯度水凝胶提取物和DMEM培养基共同培养，分析复合水凝胶生物相容性。经过24或48小时共同培养，所有实验组的细胞存活率都保持在85%以上表明复合水凝胶具有良好的生物相容性。 复合水凝胶可以通过MPDA光热效应和释放DOX和CUR的化疗效应来抑制肿瘤细胞。 体外细胞实验表明MPDA纳米颗粒光热效应可以杀死癌细胞。在一定的MPDA浓度（0.2毫克/毫升）下，进一步研究辐射时间。随着照射时间的延长，MPDA纳米颗粒产生的热量不断累积，细胞活力随之下降。接着探索复合化疗和光热疗法的效果，通过Transwell装置将复合水凝胶与Hepa1-6细胞共同培养。 结果显示随着功能物质的加入，细胞活力明显下降。同时，近红外辐照也促进了细胞凋亡，随着辐照时间的延长，细胞存活率下降。主要由于光热性能诱导Hepa1-6细胞凋亡，并加速DOX释放。此外活死染色试验也显示了复合水凝胶优异生物安全性能。
图5 体内治疗效果
进一步研究复合水凝胶在体内的治疗效果。通过近红外热成像证明复合水凝胶在小鼠肿瘤部位光热性能，注射复合水凝胶并照射5分钟后，肿瘤部位温度升高。注射含有MPDA纳米颗粒的纳米复合水凝胶组的皮下肿瘤温度从37.0℃上升到57℃。DOX-MPDA&CUR@Gel组在近红外照射下的肿瘤生长速度明显低于其他组，14天后最终肿瘤体积最小。HE染色显示DOX-MPDA&CUR@Gel组在近红外照射下，肿瘤细胞出现了广泛而明显的坏死。TUNEL染色得到进一步的验证。PBS组和没有近红外照射的MPDA@Gel组的细胞形态正常，近红外照射的DOX-MPDA&CUR@Gel组的TUNNEL阳性细胞数量最高。 以上结果表明，加载在复合水凝胶中的DOX、CUR和MPDA通过统一化疗和光热治疗在肿瘤治疗中具有明显优势。在近红外照射下，大部分肿瘤细胞死亡，由于PTT热效应导致细胞凋亡或坏死。复合水凝胶中加载了CUR，抑制促炎症细胞因子的分泌，表明复合凝胶中的CUR有助于减少PTT引起的炎症。
总之，本文利用多糖衍生物OHA和HPCS通过动态亚胺键作为DOX@MPDA和CUR@NH2-CD传递基质，制备了一种可注射和自愈的水凝胶。双重功能MPDA纳米颗粒作为DOX储库和高效光热剂，使水凝胶具有良好的光热转换性能和脉冲式药物释放性能。由于动态亚胺键的存在，该复合水凝胶可以在肿瘤组织内注射。在近红外照射下，水凝胶基质被MPDA纳米颗粒光热效应加热，DOX释放出来，有效杀死残留肿瘤细胞。同时在近红外照射后，水凝胶温度提高到50℃以上，诱导肿瘤细胞凋亡。除帮助消除肿瘤外，CUR@NH2-CD引入还有效缓解了PTT典型伴随性促炎反应。因此，可注射自愈性复合水凝胶不仅拥有热化学疗法综合效果，而且还减少环境中炎症反应。复合水凝胶的方法为PTT提供有价值的发展，并为解决PTT治疗后的综合治疗方案开辟了道路。
文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.12072
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