中国青年学者领衔！“分子手术刀”，登上ACS Nano：超声激活的机械力敏感纳米颗粒开辟深层肿瘤新疗法

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-09-16 07:50

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伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的科研团队近日成功开发出一种新型可注射的机械力敏感纳米颗粒（MeCS），在医用聚焦超声的作用下在生物体内产生活性氧（ROS），可有效抑制肿瘤生长，为深层组织癌症治疗提供了全新手段。这项成果已刊登在《ACS Nano》期刊上。该交叉学科团队由该校Yun-Sheng Chen教授、Jeffery Moore院士和King Li教授共同领导，文章的共同第一作者为该校贝克曼高等科技研究所博士后研究员王健博士及博士研究生赵申晟和易俊希。

光动力学疗法（PDT）和声动力学疗法（SDT）分别利用非电离光和超声波产生活性氧（ROS），为癌症提供了有前景的局部治疗。然而，PDT 的有效性受到组织穿透不足的限制，而 SDT 则通常依赖于热解和声光发光，这可能导致额外组织损伤，治疗精确性和靶向性不足。

为了解决这些问题，研究人员基于与PDT 和SDT 不同的机理，提出机械力化学动力学疗法（MDT），该疗法利用在机械应力下从嵌入力敏团（mechanophore）的聚合物中生成的自由基，来产生活性氧（ROS）用于癌症治疗。力敏团是一种对机械力敏感的分子单元，是具有机械易裂特性的官能团。当它们被嵌入到受到机械应力的聚合物中时，力敏团可以在聚合物链上被选择性激活，从而在材料内部实现理想的物理或化学转变，如颜色变化、发射荧光、化学发光以及小分子药物的释放等。尽管基于机械力化学动态疗法（MDT）的工作极具潜力，但其收到块状聚合物尺寸难以缩小以及激活所需超声强度高的限制，未能实现动物模型的应用。

在最新的研究中，研究人员开发了可注射的纳米级机械力敏感的纳米颗粒用于生物体内癌症治疗（图一）。这些颗粒采用核-壳结构，由二氧化硅纳米颗粒，粒子表面偶氮力敏团以及表面接枝的高分子刷聚（聚乙二醇甲基丙烯酸酯）（PPEGMA）共同构成（图二图三）。拉曼光谱分析以及热重分析表明偶氮基团以及高分子刷成功接枝到纳米粒子表面（图四）。偶氮基团是一种经过充分研究的力敏团。当它被嵌入聚合物链的中间或聚合物与颗粒的界面时，可以在极小的力场中（~500 pN）被激活产生自由基，并在氧气中产生活性氧（ROS）（图五）。利用这一效应，研究人员发现这些基于偶氮的机械力敏感纳米颗粒（MeCS）在低功率 FUS处理下在体外模型（特别是 4T1 细胞系）中显示良好的治疗效果。在相同条件下，未含偶氮基团的对照颗粒未显示出显著治疗效果（图六）。此外，机械力敏感纳米颗粒在没有FUS处理的情况下表现出优良的生物相容性。在最终的小鼠模型中，在医用聚焦超声的作用下，机械力敏感纳米颗粒（MeCS）仍然显示出明显的肿瘤抑制效果，而其他对照组均对肿瘤生长无任何影响（图七）。这种创新的方法将力响应的偶氮力敏团与医用聚焦超声结合，提供了一种新的治疗技术，可能增强癌症治疗的效果，同时减轻与传统疗法（如 PDT 和 SDT）相关的副作用。

这项研究首次在动物模型上实现了机械化学动力疗法（MDT）的概念，展示了高分子机械力化学在生物医学领域的巨大潜力。这一突破为开发更安全、高效的癌症治疗方法提供了新的方向，特别是在深层组织肿瘤治疗方面表现出显著优势，并有望在未来的临床应用中发挥重要作用。