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

全氟碳通過調節腫瘤內環境以增強缺氧基藥物療效

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

《自然通訊》第10卷，2019年，文章編號1580

 

摘要

這篇論文摘要闡述了全氟碳納米粒子（PNPs）能夠創建持久、可滲透和缺氧的腫瘤微環境，從而確保缺氧基藥物（HBAs）如厭氧細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缺氧，同時抑制腫瘤內氧氣再灌注，促進HBA積累超過24小時。研究顯示，全氟碳材料有潛力重新點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）如何通過調節腫瘤微環境來增強缺氧基藥物（HBAs）的療效，解決HBAs在臨床應用中因腫瘤滲透性差和缺氧不足而失敗的問題。具體目標是驗證PNPs能否同時提高腫瘤滲透性和維持長期缺氧，從而優化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負載的人血清 albumin（HSA）結合，形成均勻的球形納米粒子。然后，在體外評估PNPs的氧氣吸收和消耗能力，使用氧氣微電極監測溶解氧變化。在體內，通過小鼠腫瘤模型（CT26結腸癌），測試PNPs對腫瘤滲透性（使用Evans blue作為探針）和缺氧狀態（通過氧氣微電極和免疫組化染色）的影響。進一步，將PNPs與兩種典型HBAs（tirapazamine, TPZ 和 Salmonella VNP20009）結合，評估其協同抗腫瘤效果，包括腫瘤生長抑制、細胞凋亡和細菌分布。整個研究通過多組對照（如ONPs、NPs）確保數據可靠性。

 

測量的數據及研究意義

1. PNPs的制備和表征數據：包括尺寸（約160 nm）、穩定性和氧氣吸收能力。研究意義：確認PNPs的物理化學性質，如單分散性和長期穩定性，以及其強大的氧氣吸收和消耗能力，為后續體內外實驗提供基礎支持，確保PNPs能有效調節氧氣水平。

2. 體內腫瘤滲透性增強數據：通過Evans blue積累測量，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）的腫瘤內遞送，克服腫瘤組織屏障，增強治療效果。

 

3. 體內缺氧監測數據：使用氧氣微電極測量腫瘤內溶解氧（DO）變化，顯示PNPs處理組DO水平降低80%，而對照組僅降低40%（Fig. 2d, e, f）。研究意義：直接驗證PNPs能有效創建和維持腫瘤缺氧環境，為HBAs的激活提供必要條件，并顯示其持久性（超過24小時）。

4. 激光照射后PNPs對滲透性和缺氧的長期影響數據：包括Evans blue積累增加、DO水平持續下降以及HIF-1α和pimonidazole染色增強（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力療法（PDT）進一步增強腫瘤滲透性和缺氧，并維持這種狀態長達24小時，確保HBAs有足夠時間積累和發揮作用。

 

5. PNPs增強TPZ化療數據：體外細胞毒性實驗顯示PNPs加TPZ組細胞死亡顯著增加（Fig. 4a, b）；體內腫瘤生長抑制實驗顯示PNPs加TPZ組腫瘤完全抑制（Fig. 4c, d, e, f）。研究意義：證實PNPs能顯著提高TPZ的療效，通過創建缺氧環境激活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。

 

6. PNPs增強細菌癌癥療法數據：Salmonella分布實驗顯示PNPs處理組細菌在腫瘤內積累增加12.7倍（Fig. 5a, b, c）；腫瘤生長曲線顯示PNPs加Salmonella組腫瘤抑制最顯著（Fig. 5d, e, f）。研究意義：證明PNPs能改善厭氧細菌在腫瘤內的分布和增殖，增強其抗腫瘤活性，同時安全性評估顯示細菌治療可行，為細菌療法的新策略提供支持。

 

結論

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

2. PNPs與光動力療法結合能進一步維持缺氧狀態超過24小時，確保HBAs有足夠時間進行遞送和激活，而不影響其抗腫瘤活性。

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

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧氣微電極測量的數據在本研究中具有關鍵的研究意義。該電極用于實時、定量監測腫瘤內溶解氧（DO）變化，提供高精度和高靈敏度的氧氣水平數據。在實驗中，電極直接插入腫瘤組織，測量PNPs處理后的DO動態變化，顯示PNPs能快速降低DO水平并維持缺氧狀態（如Fig. 2d和Fig. 3d,e）。這種測量不僅驗證了PNPs的氧氣吸收和消耗能力，還確認了其創建持久缺氧環境的效果，為PNPs機制提供了直接證據。電極的快速響應時間（秒級）允許捕獲瞬時變化，如激光照射后的氧氣消耗，增強了數據的可靠性。此外，電極數據與免疫組化結果（如HIF-1α染色）相關，強化了缺氧的生物學意義。總之，Unisense電極的應用使研究能夠精確量化腫瘤微環境變化，為PNPs的療效評估提供了堅實的技術基礎，推動了缺氧基治療策略的發展。