Perfluorocarbon regulates the intratumoural environment to enhance hypoxia-based agent efficacy

全氟碳通過調(diào)節(jié)腫瘤內(nèi)環(huán)境以增強(qiáng)缺氧基藥物療效

來源：Nature Communications, Volume 10, 2019, Article number 1580

《自然通訊》第10卷，2019年，文章編號(hào)1580

 

摘要

這篇論文摘要闡述了全氟碳納米粒子（PNPs）能夠創(chuàng)建持久、可滲透和缺氧的腫瘤微環(huán)境，從而確保缺氧基藥物（HBAs）如厭氧細(xì)菌和生物還原前藥的遞送和激活。PNPs通過增加腫瘤滲透性和增強(qiáng)缺氧，同時(shí)抑制腫瘤內(nèi)氧氣再灌注，促進(jìn)HBA積累超過24小時(shí)。研究顯示，全氟碳材料有潛力重新點(diǎn)燃缺氧基藥物的臨床研究。

 

研究目的

本研究旨在探索全氟碳納米粒子（PNPs）如何通過調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境來增強(qiáng)缺氧基藥物（HBAs）的療效，解決HBAs在臨床應(yīng)用中因腫瘤滲透性差和缺氧不足而失敗的問題。具體目標(biāo)是驗(yàn)證PNPs能否同時(shí)提高腫瘤滲透性和維持長(zhǎng)期缺氧，從而優(yōu)化HBAs的遞送和激活。

 

研究思路

研究思路首先制備全氟碳納米粒子（PNPs），通過超聲乳化法將全氟三丁胺（PFTBA）與近紅外光敏劑IR780負(fù)載的人血清 albumin（HSA）結(jié)合，形成均勻的球形納米粒子。然后，在體外評(píng)估PNPs的氧氣吸收和消耗能力，使用氧氣微電極監(jiān)測(cè)溶解氧變化。在體內(nèi)，通過小鼠腫瘤模型（CT26結(jié)腸癌），測(cè)試PNPs對(duì)腫瘤滲透性（使用Evans blue作為探針）和缺氧狀態(tài)（通過氧氣微電極和免疫組化染色）的影響。進(jìn)一步，將PNPs與兩種典型HBAs（tirapazamine, TPZ 和 Salmonella VNP20009）結(jié)合，評(píng)估其協(xié)同抗腫瘤效果，包括腫瘤生長(zhǎng)抑制、細(xì)胞凋亡和細(xì)菌分布。整個(gè)研究通過多組對(duì)照（如ONPs、NPs）確保數(shù)據(jù)可靠性。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. PNPs的制備和表征數(shù)據(jù)：包括尺寸（約160 nm）、穩(wěn)定性和氧氣吸收能力。研究意義：確認(rèn)PNPs的物理化學(xué)性質(zhì)，如單分散性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，以及其強(qiáng)大的氧氣吸收和消耗能力，為后續(xù)體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)支持，確保PNPs能有效調(diào)節(jié)氧氣水平。

2. 體內(nèi)腫瘤滲透性增強(qiáng)數(shù)據(jù)：通過Evans blue積累測(cè)量，顯示PNPs處理組腫瘤中Evans blue積累顯著增加（Fig. 2a, b, c）。研究意義：證明PNPs能提高腫瘤血管滲透性，改善藥物（如HBAs）的腫瘤內(nèi)遞送，克服腫瘤組織屏障，增強(qiáng)治療效果。

 

3. 體內(nèi)缺氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：使用氧氣微電極測(cè)量腫瘤內(nèi)溶解氧（DO）變化，顯示PNPs處理組DO水平降低80%，而對(duì)照組僅降低40%（Fig. 2d, e, f）。研究意義：直接驗(yàn)證PNPs能有效創(chuàng)建和維持腫瘤缺氧環(huán)境，為HBAs的激活提供必要條件，并顯示其持久性（超過24小時(shí)）。

4. 激光照射后PNPs對(duì)滲透性和缺氧的長(zhǎng)期影響數(shù)據(jù)：包括Evans blue積累增加、DO水平持續(xù)下降以及HIF-1α和pimonidazole染色增強(qiáng)（Fig. 3a, b, c, d, e, f, g, h, i）。研究意義：表明PNPs在激光照射后能通過光動(dòng)力療法（PDT）進(jìn)一步增強(qiáng)腫瘤滲透性和缺氧，并維持這種狀態(tài)長(zhǎng)達(dá)24小時(shí)，確保HBAs有足夠時(shí)間積累和發(fā)揮作用。

 

5. PNPs增強(qiáng)TPZ化療數(shù)據(jù)：體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)顯示PNPs加TPZ組細(xì)胞死亡顯著增加（Fig. 4a, b）；體內(nèi)腫瘤生長(zhǎng)抑制實(shí)驗(yàn)顯示PNPs加TPZ組腫瘤完全抑制（Fig. 4c, d, e, f）。研究意義：證實(shí)PNPs能顯著提高TPZ的療效，通過創(chuàng)建缺氧環(huán)境激活TPZ的生物還原毒性，而不引起額外毒性，為臨床組合治療提供依據(jù)。

 

6. PNPs增強(qiáng)細(xì)菌癌癥療法數(shù)據(jù)：Salmonella分布實(shí)驗(yàn)顯示PNPs處理組細(xì)菌在腫瘤內(nèi)積累增加12.7倍（Fig. 5a, b, c）；腫瘤生長(zhǎng)曲線顯示PNPs加Salmonella組腫瘤抑制最顯著（Fig. 5d, e, f）。研究意義：證明PNPs能改善厭氧細(xì)菌在腫瘤內(nèi)的分布和增殖，增強(qiáng)其抗腫瘤活性，同時(shí)安全性評(píng)估顯示細(xì)菌治療可行，為細(xì)菌療法的新策略提供支持。

 

結(jié)論

1. 全氟碳納米粒子（PNPs）能有效增加腫瘤滲透性和創(chuàng)建長(zhǎng)期缺氧環(huán)境，通過抑制氧氣再灌注和增強(qiáng)藥物積累，顯著改善缺氧基藥物（HBAs）如tirapazamine和Salmonella的療效。

2. PNPs與光動(dòng)力療法結(jié)合能進(jìn)一步維持缺氧狀態(tài)超過24小時(shí)，確保HBAs有足夠時(shí)間進(jìn)行遞送和激活，而不影響其抗腫瘤活性。

3. 研究證實(shí)全氟碳材料具有臨床轉(zhuǎn)化潛力，能為缺氧基藥物的治療提供新平臺(tái)，解決當(dāng)前臨床失敗的問題。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense氧氣微電極測(cè)量的數(shù)據(jù)在本研究中具有關(guān)鍵的研究意義。該電極用于實(shí)時(shí)、定量監(jiān)測(cè)腫瘤內(nèi)溶解氧（DO）變化，提供高精度和高靈敏度的氧氣水平數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中，電極直接插入腫瘤組織，測(cè)量PNPs處理后的DO動(dòng)態(tài)變化，顯示PNPs能快速降低DO水平并維持缺氧狀態(tài)（如Fig. 2d和Fig. 3d,e）。這種測(cè)量不僅驗(yàn)證了PNPs的氧氣吸收和消耗能力，還確認(rèn)了其創(chuàng)建持久缺氧環(huán)境的效果，為PNPs機(jī)制提供了直接證據(jù)。電極的快速響應(yīng)時(shí)間（秒級(jí)）允許捕獲瞬時(shí)變化，如激光照射后的氧氣消耗，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的可靠性。此外，電極數(shù)據(jù)與免疫組化結(jié)果（如HIF-1α染色）相關(guān)，強(qiáng)化了缺氧的生物學(xué)意義?？傊?，Unisense電極的應(yīng)用使研究能夠精確量化腫瘤微環(huán)境變化，為PNPs的療效評(píng)估提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，推動(dòng)了缺氧基治療策略的發(fā)展。