光控“微鎮(zhèn)痛泵”問(wèn)世：一針實(shí)現(xiàn)腫瘤治療與疼痛緩解協(xié)同管理

隨著腫瘤治療手段的進(jìn)步，許多癌癥逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槁圆?，患者生存期顯著延長(zhǎng)。然而，高達(dá)75%-95%的晚期腫瘤患者深受癌痛困擾，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量。目前主流的阿片類(lèi)鎮(zhèn)痛藥存在劑量依賴(lài)性毒性、副作用多且難以精準(zhǔn)控釋等問(wèn)題，尤其是對(duì)于爆發(fā)性癌痛，其療效有限且風(fēng)險(xiǎn)高企。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠按需給藥、兼具鎮(zhèn)痛與抗腫瘤功能的非阿片類(lèi)療法，成為臨床亟待解決的挑戰(zhàn)。

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉世勇教授、胡進(jìn)明教授、胡祥龍研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種光響應(yīng)的可熔融聚碳酸酯聚合物囊泡（MPP）微鎮(zhèn)痛泵。該體系通過(guò)將非阿片類(lèi)強(qiáng)效鎮(zhèn)痛藥河豚毒素（TTX）包裹于由尼羅藍(lán)標(biāo)記的聚碳酸酯嵌段共聚物自組裝形成的囊泡中，構(gòu)建了一種智能給藥系統(tǒng)。在黑暗條件下，該囊泡能有效抑制TTX泄漏，降低全身毒性；而在660納米紅光照射下，囊泡內(nèi)尼羅藍(lán)基團(tuán)產(chǎn)生的局部光熱效應(yīng)可使聚碳酸酯雙層膜熔融，實(shí)現(xiàn)TTX的按需釋放。同時(shí)，該系統(tǒng)整合了光熱與光動(dòng)力效應(yīng)，在緩解疼痛的同時(shí)能夠抑制腫瘤生長(zhǎng)，為癌痛與腫瘤的協(xié)同管理提供了新策略。相關(guān)論文以“Meltable Polycarbonate Polymersomes as Photoresponsive Micro-Analgesia Pumps for Concurrent Tumor Therapy and Pain Relief”為題，發(fā)表在

Angew

研究首先合成了系列兩親性聚碳酸酯嵌段共聚物。其中，優(yōu)選出的BP4共聚物在修飾尼羅藍(lán)后，其熔融溫度（Tm）為36.7°C，接近體溫，為實(shí)現(xiàn)溫控藥物釋放奠定了基礎(chǔ)。該共聚物自組裝形成的MPPs平均尺寸約為5.5微米，偏光顯微鏡與微差示掃描量熱分析證實(shí)其雙層膜處于結(jié)晶態(tài)。光譜分析表明，囊泡中尼羅藍(lán)基團(tuán)以聚集形式存在，這增強(qiáng)了其光穩(wěn)定性和光熱轉(zhuǎn)換效率，實(shí)測(cè)光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)37.17%。

示意圖1.用于協(xié)同腫瘤治療與疼痛緩解的TTX負(fù)載型可熔融聚碳酸酯聚合物囊泡（TTX@MPPs）制備示意圖。 a) 通過(guò)開(kāi)環(huán)共聚及尼羅藍(lán)（NB）殘基后功能化制備N(xiāo)B標(biāo)記的聚碳酸酯二嵌段共聚物的合成路線。 b) 通過(guò)聚碳酸酯與TTX共組裝制備TTX@MPPs。親水性TTX最初被裝載于囊泡的水性?xún)?nèi)腔中。在激光照射下，局部光熱效應(yīng)使聚碳酸酯雙層熔融，從而實(shí)現(xiàn)TTX的按需釋放。 c) 單次注射TTX@MPPs即可實(shí)現(xiàn)按需的腫瘤疼痛緩解與同步的腫瘤抑制。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了光熱對(duì)膜通透性的調(diào)控能力。實(shí)驗(yàn)顯示，在室溫（膜處于玻璃態(tài)）時(shí)，外部鈣黃綠素染料無(wú)法穿透囊泡膜；而在紅光照射或直接加熱使溫度超過(guò)Tm后，膜通透性顯著增加，染料成功進(jìn)入囊泡內(nèi)腔。反過(guò)來(lái)，將鈣黃綠素預(yù)先包裹于囊泡內(nèi)，其熒光因高濃度而淬滅，紅光照射觸發(fā)藥物釋放后，熒光得以恢復(fù)。重要的是，這種光照觸發(fā)的釋放過(guò)程可多次重復(fù)，且囊泡結(jié)構(gòu)保持完整，實(shí)現(xiàn)了藥物的按需、可重復(fù)釋放，這正是一個(gè)理想“微鎮(zhèn)痛泵”的關(guān)鍵特性。

圖1.BP4 MPPs的形態(tài)與光熱性能。 a) BP4 MPPs的共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）圖像。 b) BP4 MPPs的偏光光學(xué)顯微鏡（POM）圖像。 c) BP4 MPPs水分散體（30 mg/mL）的微差示掃描量熱（microDSC）曲線。 d) 不同濃度的BP4 MPPs在660 nm激光（0.6 W/cm2）照射下的溫度變化。 e) 不同激光功率密度下BP4 MPPs（660 nm， 0.45 g/L）的溫度變化。 f) BP4 MPPs水分散體（0.45 g/L）在不同時(shí)間照射前后的尺寸排阻色譜（SEC）譜圖。 g) BP4 MPPs在激光照射下并與鈣黃綠素孵育的示意圖。 h) BP4 MPPs在累積照射40分鐘（660 nm， 0.45 W/cm2）或在50°C熱孵育40分鐘后的CLSM圖像（比例尺：5 μm）：紅色通道（BP4 MPPs的尼羅藍(lán)）和綠色通道（鈣黃綠素）。 i) 鈣黃綠素@MPPs在每周期照射5分鐘（660 nm， 0.45 W/cm2）時(shí)，于520 nm處記錄的歸一化熒光發(fā)射強(qiáng)度（λex = 485 nm）。

除了光熱效應(yīng)，尼羅藍(lán)還是一種有效的光敏劑。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在紅光照射下，MPPs能產(chǎn)生活性氧，展現(xiàn)出光動(dòng)力治療效果。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，MPPs的光細(xì)胞毒性具有劑量和光強(qiáng)依賴(lài)性，流式細(xì)胞術(shù)分析證實(shí)其能誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。通過(guò)添加維生素C清除活性氧，發(fā)現(xiàn)光熱效應(yīng)在導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞死亡中起主導(dǎo)作用。

圖2.BP4 MPPs的光動(dòng)力效應(yīng)及體外腫瘤細(xì)胞抑制作用。 a) 存在BP4 MPPs（0.67 g/L）時(shí)，DCFH探針（10 μM）在660 nm激光照射（0.45 W/cm2）下的熒光發(fā)射光譜（λex = 488 nm）。 b) 525 nm處歸一化發(fā)射強(qiáng)度的時(shí)間依賴(lài)性變化。 c) 4T1細(xì)胞與BP4 MPPs孵育24小時(shí)后，在不加或加不同強(qiáng)度660 nm光照射下的體外細(xì)胞毒性。數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（n = 6）。 d) 不同處理后的4T1細(xì)胞的流式細(xì)胞術(shù)分析圖及 e) 統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)Annexin V-FITC（λex = 488 nm， λem = 520 ± 20 nm）/PI（λex = 543 nm， λem = 620 ± 20 nm）雙染色評(píng)估。數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（n = 3）。*P < 0.05。單因素方差分析及Tukey事后檢驗(yàn)。

隨后，研究成功構(gòu)建了負(fù)載TTX的聚合物囊泡（TTX@MPPs）。體外釋放實(shí)驗(yàn)表明，在黑暗條件下TTX泄漏極少（<1%），而在多次紅光照射循環(huán)下，90分鐘內(nèi)可實(shí)現(xiàn)約36%的TTX按需釋放。在構(gòu)建的坐骨神經(jīng)旁腫瘤疼痛小鼠模型中，瘤內(nèi)單次注射TTX@MPPs后，通過(guò)不同時(shí)間點(diǎn)的紅光照射，可重復(fù)、按需地提升小鼠的爪退縮閾值，實(shí)現(xiàn)有效鎮(zhèn)痛，且效果可持續(xù)多輪，而游離TTX無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種多次鎮(zhèn)痛效應(yīng)。

圖3.TTX@MPPs的表征及體內(nèi)光激活腫瘤疼痛緩解效果。 a) TTX@MPPs水分散體的CLSM圖像。 b) TTX@MPPs（0.67 g/L， 37°C）在不加或加660 nm激光照射（0.45 W/cm2， 每周期3分鐘開(kāi)/12分鐘關(guān)）下的體外TTX釋放曲線。 c) 通過(guò)紅外相機(jī)記錄的體內(nèi)腫瘤宏觀溫度圖像及 d) 瘤內(nèi)分別注射TTX@MPPs和CPPs后小鼠的腫瘤溫度變化曲線（0.67 g/L， 660 nm， 0.45 W/cm2， 5分鐘）。 e) 將100 μL游離TTX（1.5 mg/L）、BP4 MPPs（0.67 g/L）或TTX@MPPs（0.67 g/L）注射入坐骨神經(jīng)附近腫瘤后，分別在0、3、6小時(shí)及 f) 0、12、24小時(shí)進(jìn)行后續(xù)照射（紫色箭頭，660 nm激光，0.45 W/cm2， 3分鐘）對(duì)局部麻醉效果的影響。通過(guò)測(cè)量小鼠的爪退縮閾值評(píng)估光觸發(fā)局部麻醉效果。數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（n = 5）。**P < 0.01， ***P < 0.001， ****P < 0.0001。單因素方差分析及Tukey事后檢驗(yàn)。

抗腫瘤效果評(píng)估顯示，TTX@MPPs在瘤內(nèi)滯留時(shí)間顯著長(zhǎng)于游離尼羅藍(lán)，熒光信號(hào)可持續(xù)超過(guò)72小時(shí)。在腫瘤模型動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，單次注射TTX@MPPs或BP4 MPPs并進(jìn)行三次紅光照射后，均能顯著抑制腫瘤生長(zhǎng)，效果優(yōu)于游離尼羅藍(lán)組。腫瘤組織切片TUNEL和Caspase-3染色證實(shí)了治療誘導(dǎo)了顯著的細(xì)胞凋亡。同時(shí)，各組小鼠體重穩(wěn)定，肝功能指標(biāo)正常，表明該體系具有良好的生物安全性。

圖4.腫瘤滯留時(shí)間與抗腫瘤性能。 a) 4T1荷瘤小鼠瘤內(nèi)注射BP4 MPPs（0.67 g/L， 100 μL）或尼羅藍(lán)（50 μmol/kg）后的典型近紅外熒光圖像。 b) 腫瘤部位的歸一化熒光強(qiáng)度。數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（n = 3）。 c) 用于體內(nèi)腫瘤抑制的典型實(shí)驗(yàn)流程。 d) 不同治療組在第16天時(shí)腫瘤體積的量化。數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（每組n = 4只小鼠）。 e) 治療16天后各組的代表性離體腫瘤照片。 f) 腫瘤切片的TUNEL染色。細(xì)胞核用DAPI染色。比例尺為100 μm。 g) 治療后小鼠的體重。 h–j) 治療后反映肝功能的血清生化參數(shù)（丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（ALT）；天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（AST）；γ-谷氨酰轉(zhuǎn)移酶（GGT））水平。數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（每組n = 4只小鼠）。ns， 不顯著；**P < 0.01， ***P < 0.001。單因素方差分析及Tukey事后檢驗(yàn)。

綜上所述，這項(xiàng)研究成功開(kāi)發(fā)了一種基于可熔融聚碳酸酯聚合物囊泡的光響應(yīng)微鎮(zhèn)痛泵。它利用紅光觸發(fā)膜相變實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)按需釋放，同時(shí)協(xié)同光熱和光動(dòng)力作用抗腫瘤，在動(dòng)物模型中實(shí)現(xiàn)了“一針雙效”——協(xié)同管理腫瘤疼痛并抑制腫瘤進(jìn)展。該智能系統(tǒng)為下一代兼具鎮(zhèn)痛與治療功能的腫瘤綜合管理方案提供了創(chuàng)新性的技術(shù)范式。