饑餓療法通過阻斷腫瘤的血液供應或剝奪其所需的營養(yǎng)物質(zhì)，如葡萄糖和氧氣，以抑制腫瘤的生長和存活。然而，饑餓療法存在持久性差和腫瘤易發(fā)生復發(fā)和轉(zhuǎn)移的固有缺點。另一方面，傳統(tǒng)的化學治療或者光學治療均需要使用化療藥或者光敏劑。這些小分子毒性物質(zhì)的使用過程中無法避免毒副作用的產(chǎn)生，對正常組織的會造成不可逆的損傷。因此，亟需開發(fā)新的腫瘤治療方式以解決傳統(tǒng)腫瘤治療過程中的問題。
近期，海南大學郭東波副教授團隊提出一種無需藥物的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（IPN）水凝膠用于腫瘤饑餓治療策略。利用溫度響應可自由基聚合的水凝膠在凝膠化過程中收縮衍生的內(nèi)應力和局部高溫的熱效應，對腫瘤血管的壓縮和腫瘤熱消融共同形成的協(xié)同效應，以實現(xiàn)惡性腫瘤治療。使用N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)的溫敏特性，優(yōu)化并控制臨界溫度在體溫范圍內(nèi)，使得NIPAM的氫鍵破壞后釋放的熱量，導致被硝基咪唑固定的自由基重新被激活，誘導單體聚合并引起原位熱效應的產(chǎn)生。體溫敏感水凝膠的凝膠化過程中具有58.5%的收縮率，體內(nèi)實驗證實這種水凝膠可顯著降低血管密度、誘導腫瘤缺氧，以達到“餓死”腫瘤細胞的目的。結(jié)合水凝膠的原位熱效應誘導細胞凋亡，實現(xiàn)高效腫瘤饑餓組合治療。此策略為開發(fā)無化療/光療藥的饑餓療法提供了新思路。
如圖1所示，作者構(gòu)建了可注射的IPN水凝膠，其主要由兩個功能組分構(gòu)成：熱響應性組分（“A膠”）與熱療組分（“B膠”）。通過精確調(diào)控NIPAM的比例，將A膠的臨界聚合溫度控制在34.3℃。A膠中NIPAM的氫鍵結(jié)構(gòu)在高于最低臨界溫度時被破壞，同時釋放熱量。這些熱量使得硝基咪唑的殼聚糖衍生物（CS-NI）中被固定的自由基激活并釋放，從而實現(xiàn)A膠的溫敏聚合。這一過程通過自由基探針和電子自旋（EPR）方法證實。進一步研究了B膠和IPN水凝膠的原位熱效應。如圖2所示，B膠和IPN水凝膠隨著丙烯酰胺的比例增加，其最高溫度分別可到達95℃和47℃。其中IPN水凝膠通過依次注射A膠和B膠形成，其自由基結(jié)合的熱效應不會破壞正常組織，適合用于腫瘤原位熱療。隨后，IPN水凝膠優(yōu)異的力學性能，包括自愈合、粘附強度、拉伸和壓縮強度，通過流變等方式得到證實（圖3）。并且在體外模擬血流的實驗中，A膠和IPN水凝膠在凝膠化過程中均具有高收縮率，分別達到42.5和58.5%（圖4）。在細胞和細胞球水平實驗中，這種IPN水凝膠均具有良好的抑制效果（圖5）。最后，在動物水平上使用多普勒彩超技術(shù)，證實了IPN水凝膠在血管外發(fā)生凝膠化，壓迫腫瘤周圍的血管，有效阻斷血液及營養(yǎng)供給，達到饑餓療法的效果（圖6）。結(jié)合IPN水凝膠的原位熱效應，IPN水凝膠顯著降低腫瘤的血管密度，誘導局部缺氧和促進腫瘤細胞凋亡，最終具有優(yōu)異的腫瘤生長抑制效果。
圖1（a）IPN水凝膠制備示意圖。NIPAM單體在LCST上產(chǎn)生熱量的過程。在LCST上原位聚合IPN水凝膠。（b）A膠在25°C、30°C和37°C下凝膠化行為的數(shù)碼照片。（c）A膠的溫度依賴性流變曲線，其中凝膠化溫度定義為儲能模量（G′）和損耗模量（G〃′）的交點。通過測量1,3-二苯基異苯并呋喃（DPBF）峰，在25°C下自由基產(chǎn)生（d）CS-NI+APS+TEMED，在37°C下產(chǎn)生（e）CS-NI+APS+TEMED。（f）分別在25°C和25、34和37°C下APS+TEMED和CS-NI+APS+TEMED的EPR光譜。（g）將A膠的溫度分別提高到25、34和37°C。
圖2（a）37°C下A膠、B膠和IPN水凝膠的掃描電鏡（SEM）圖像。（b）溫度曲線和（e）B膠的熱圖像(AM@NIPAM@CS-NI，0.3 mg mL-1 AM）和B''''膠(AM@CS-NI，0.3mg mL-1 AM）。（c）A膠和B膠的凝膠化時間。（d）使用了IPN水凝膠在25°C和37°C下凝膠化行為的數(shù)碼照片。（f）IPN水凝膠在37°C下不同時間的溫度曲線。（g）IPN水凝膠在25°C和37°C下不同時間的熱圖像。（h）A膠和B膠在25°C下的注射能力。A膠和B膠分別用亞甲基藍染料和檸檬黃（檸檬黃）染料染色。
圖3（a）IPN水凝膠自愈性能的示意圖。（b）IPN水凝膠自愈行為的圖像。在37℃下接觸20分鐘后，兩個分離的塊使完整的水凝膠愈合。（c）在37°c下將IPN水凝膠從0.1%應變掃描到1000%應變。（d）在高應變（500%）和低應變（1%）之間交替進行五輪階躍應變循環(huán)后，IPN水凝膠流變性能的時間演變。（e）顯示水凝膠對豬皮的粘附能力和機械順應性的照片表明，水凝膠在彎曲和變形下緊緊地粘附在皮膚上。值得注意的是，即使在用水沖洗時，它也能牢固地連接在一起，沒有任何脫落或斷裂。（f）IPN水凝膠對皮膚和肌肉的粘附力。（g）A膠、B膠、IPN水凝膠對皮膚的粘附強度。（h）A膠、B膠、IPN水凝膠的壓縮應力-應變曲線。
圖4（a）利用血管外凝膠收縮引起的內(nèi)應力擠壓血管，估算血管（內(nèi)徑1.00mm）離體閉塞效應的實驗過程示意圖。（b）體內(nèi)示意圖，說明血管外凝膠收縮誘導的內(nèi)應力用于血管閉塞。（c）A膠和IPN水凝膠在37°c下收縮不同分鐘的照片。（d）A膠和IPN水凝膠在37°C下的收縮率。DMEM在（e）A膠和（f）IPN水凝膠凝膠聚合之前（左）和之后（右）流過小鼠脈管系統(tǒng)。
圖5（a）L929細胞劃痕試驗和（b）0小時、12小時和24小時的定量分析。虛線表示初始劃痕區(qū)域。（c）A膠、B膠和IPN水凝膠的L929細胞在24小時溫育下的細胞存活率。（d）使用鈣黃綠素AM/PI染色對A膠、B膠和IPN水凝膠對4T1細胞的活/死存活率進行測定。（e）共培養(yǎng)三天后，使用鈣黃綠素AM（綠色）和PI（紅色）對用IPN水凝膠處理的4T1細胞球體進行活/死存活率測定。
圖6（a）通過收縮驅(qū)動閉塞效應和高溫進行饑餓治療的原位注射IPN水凝膠示意圖。（b）SD鼠腹部動脈周圍注射A膠和溶液的CDFI圖像，特別是分別在注射水凝膠前后拍攝的CDFI圖，其中白色箭頭表示腹部動脈的血管。（c）注射IPN水凝膠的荷瘤小鼠的紅外熱圖像。（d）分別經(jīng)歷G1：對照、G2:CS-NI、G3:A膠、G4:B膠、G5:IPN水凝膠的4T1荷瘤BALB/c裸鼠的腫瘤體積隨時間變化（n=5）。（e）通過系統(tǒng)給藥進行腫瘤解剖的照片。（f）治療完成后腫瘤組織切片中HIF-1α、VEGF和CD31的免疫熒光圖像。腫瘤中（g）CD31、（h）VEGF和（i）HIF-1α的定量分析。
相關(guān)成果以“Thermal-Triggered Polymerizable Hydrogels with Localized Hyperthermia for Shrinkage-Driven Starvation Therapy”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。海南大學生物醫(yī)學工程學院為文章第一單位，海南大學研究生青明為文章第一作者，郭東波副教授和陳茂華副教授為文章通訊作者。該研究得到國家自然科學基金項目（52203160, 52362006, 32360238）、三亞崖州灣科技城菁英人才項目（SKJC-JYRC-2024-34, SKJC-JYRC-2024-33）資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202512839
