Nat. Nano.：癌症外科手术迎来好帮手

【背景介绍】

与实体球形肿瘤不同，有些癌症诸如间皮瘤、播散性卵巢癌等会在复杂的组织表面进行扩散，像片层一样覆盖这些组织，这对临床会诊来说是一个巨大的挑战，目前也没有非常有效的措施来进行治疗。与球形实体瘤不同，上述癌症具有独特的解剖学意义，因此通过手术实现这类癌症在组织中的无瘤边界几乎是不可能的，最终还极容易造成局部复发情况。因此，如果能在外科手术期间进行局部治疗对于清除残余肿瘤来说或许具有重大的临床价值。为了达到这一目的，治疗手段需要到达隐藏在复杂组织表面的微小肿瘤病灶，以此获得更好的治疗效果。

【成果简介】

针对这一挑战，美国国立卫生研究院的Joel P. Schneider与Chuong D. Hoang（共同通讯作者）等人合作构建了一种多肽基的表面填充水凝胶（SFH），在手术期间，可通过注射或者喷雾的方式递送到表面癌症区域进行治疗。一旦进行施药，SFH可以根据组织进行形变并释放microRNA纳米颗粒和无序肽进入癌症细胞并减弱其致癌特征。凭借这一单一治疗法，SFH在间皮瘤临床前模型中取得了一定的效果，从而有望改变表面癌症的治疗方式。本文共同第一作者为Poulami Majumder和Anand Singh，研究成果以题为“Surface-fill hydrogel attenuates the oncogenic signature of complex anatomical surface cancer in a single application”发布在国际著名期刊Nature Nanotechnology上。

【图文解读】

图一、SFH在复杂表面癌症上的应用

（a）SFH可以通过喷雾或者注射的方式进入胸膜腔进行基础治疗，也可以作为间皮瘤外科手术减瘤后的辅助治疗手段；

（b）SFH制备的两个阶段：阶段一，复合化学改性双链miRNA形成无序肽从而最终制备纳米颗粒；阶段二，颗粒随后被装载进纤维状水凝胶中。

图二、miRNA纳米颗粒的构建、物理表征及转染效率

（a）用于miRNA颗粒制备的候选多肽的序列以及各种多肽的键合等温线；

（b）25摄氏度时，在水中以不同摩尔比（及其响应的电荷比例，及N（氨基）:P（磷酸盐））制备的miRNA的zeta电位；

（c,d）H2052间皮瘤细胞利用纳米颗粒进行处理0.5小时（c）或者4小时（d）时的共聚焦图像，这些纳米颗粒含有与多肽1复合的FAM-miRNA（N:P=10:1）；

（e,f）颗粒N:P=1:1时，细胞处理0.5小时（e）或者4小时（f）时的共聚焦图像；

（g） 多肽及其与miRNA在不同电荷比下复合的圆二色谱;

（h） 多肽1结合到miRNA上的构象态模型;

（i）10:1 (N:P) 多肽1：miRNA的冷冻电子微图像;

（j） 1:1 (N:P) 多肽1：miRNA的冷冻电子微图像;

（k）与商用产品比较，10:1 (N:P)颗粒进入H2052细胞的转染效率;

（l）10:1 (N:P)颗粒进入H2052细胞的转染行为与内吞抑制剂的关系。

图三、Peptide 1–miRNA-215和peptide 1–miRNA-206纳米颗粒在体外减弱间皮瘤的致癌特征

（a）miRNA-215沉默关键基因对于间皮瘤瘤形成来说十分重要；

（b）miRNA-215纳米颗粒在H2052细胞中下降目标基因的表达水平；

（c）miRNA-206靶向基因；

（d）miRNA-206纳米颗粒在H2052细胞中下降目标基因的表达水平；

（e）利用递送miRNA-215和miRNA-206的纳米颗粒处理3天和5天后的H2052细胞的细胞生存率;

（f）利用递送miRNA-215和miRNA-206的纳米颗粒处理2周后的H2052细胞的集落形成情况;

（g）利用递送miRNA-215和miRNA-206的纳米颗粒处理6周后的anchorage相关的细胞三维生长;

（h）三维集落形成的定量。

图四、SFH的形成和物理表征

（a）1wt%SFH的冷冻透射电子显微图像展示了嵌入到纤维状凝胶网络中的miRNA纳米颗粒；

（b）0.5wt%和1wt%SFH随着时间释放miRNA颗粒；

（c）SFH的时间扫描剪切变稀/复原振荡流变学；

（d）SFH被喷涂到猪肺上；

（e）被喷涂到玻璃表面的SFH的共聚焦图像；

（f）（e）中SFH厚度的定量；

（g）SFH被注射到猪肺表面；

（h）SFH注射到泄气肺以及玻璃室表面。

图五、SFH的体内递送及其抗癌作用

（a）0.5wt%和1wt%SFH局部递送Cy3标记的miRNA纳米颗粒；

（b）利用超声监测1wt%SFH的生物降解过程；

（c）瘤周注射SFH递送miRNA颗粒进入细胞；

（d）皮下移植H2373肿瘤体积生长曲线；

（e）SFH注射四周后切除的肿瘤图像；

（f,g）肿瘤组织的免疫化学评价。

图六、间皮瘤移植模型阐释SFH的治疗潜力

（a）腹腔间皮瘤模型；

（b）肿瘤生长与SFH组分的关系；

（c,d）肿瘤发光图像以及生存率曲线；

（e）胸膜间皮瘤模型；

（f）肿瘤生长与SFH组分的关系；

（g,h）肿瘤发光图像以及生存率曲线；

（i）间皮瘤移植切除模型；

（j）利用SFH处理的肿瘤发光图像；

（k,l）利用SFH处理的小鼠在28天肿瘤处的总辐射通量。

【小结】

大量研究表明，利用系统性施药对原发肿瘤进行治疗常常不能获得良好的效果。因此，即便创造干净组织边界极具挑战、残余肿瘤容易造成复发，外科手术仍然是多模式治疗中非常重要的一个层面。在本项研究中，作者构建的SFH既可以作为基本治疗手段，也可以作为外科手术的辅助手段。在这些治疗中，SFH通过注射或者喷雾的形式递送涂覆到复杂组织表面，再通过扩散-填充的形式对组织形貌进行响应而做出形变。其能释放miRNA纳米颗粒进入癌症细胞并进一步释放基因沉默物质。这一策略在间皮瘤的治疗中取得了良好的疗效。除了具有开发新型材料的意义以外，这项研究工作还为利用肿瘤特异性miRNA治疗间皮瘤提供了概念验证性结果。这一重大发现或许能够改变以间皮瘤为代表的表面癌症的治疗方式。

文献链接：Surface-fill hydrogel attenuates the oncogenic signature of complex anatomical surface cancer in a single application,Nature Nanotechnology,2021, DOI: 10.1038/s41565-021-00961-w.