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光纖藥物遞送與光控釋放：腫瘤化療的新希望
作者：朱漢斌      來源：中國科學(xué)報
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化療是臨床實踐中癌癥的常規(guī)治療方法之一。然而，給藥效率差、全身毒性和治療期間缺乏藥代動力學(xué)監(jiān)測，是當(dāng)前化療的關(guān)鍵局限性。如何提高腫瘤化療藥物的遞送效率，降低副作用？
針對這一問題，暨南大學(xué)物理與光電工程學(xué)院教授關(guān)柏鷗/冉洋團(tuán)隊與合作者給出了新的解決方案：利用光纖作為藥物遞送載體，將化療藥物直接送達(dá)腫瘤深部病灶。相關(guān)成果于今年9月發(fā)表于《光：科學(xué)與應(yīng)用（英文版）》。
“我們提出并設(shè)計了一種基于光纖的藥物遞送與光控藥物釋放策略，將化療藥物通過光纖直接送達(dá)深部病灶，并實現(xiàn)了腫瘤光熱與抗腫瘤藥物協(xié)同治療�！闭撐墓餐�通訊作者關(guān)柏鷗對《中國科學(xué)報》表示。
每年罹患癌癥死亡逾1000萬人
癌癥是由細(xì)胞分裂的病理生理學(xué)改變引起的，是全世界最致命的疾病之一。全球每年因罹患癌癥（惡性腫瘤）而死亡的人數(shù)超過1000萬。預(yù)計到2040年，這個數(shù)字將超過1600萬。
作為目前癌癥治療的三大基石之一，化學(xué)療法將抗腫瘤藥物通過口服或者靜脈注射等方式經(jīng)由體循環(huán)系統(tǒng)遞送至腫瘤患處，避免了手術(shù)和放射性療法對身體造成的直接損傷。
然而，化療藥物的目標(biāo)遞送效率低導(dǎo)致的療效有限和容易復(fù)發(fā)，以及在循環(huán)過程中不可避免地對正常器官和組織造成損害、副作用大等問題嚴(yán)重限制了當(dāng)前腫瘤化療的治療效果。如何提高化療藥物的遞送效率，降低副作用？成為腫瘤化療領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵難題。
藥物控制釋放策略可以有效地克服上述問題，因此受到了廣泛關(guān)注。其中，光熱驅(qū)動藥物釋放策略不僅能夠在對正常組織器官低損傷的情況下實現(xiàn)藥物可控性釋放，還能利用局部熱療引起腫瘤微環(huán)境變化，促進(jìn)腫瘤組織對藥物的吸收，極具應(yīng)用前景。
然而，生物組織對光的強烈吸收與散射，使得光熱藥物釋放策略的治療深度受到了嚴(yán)重限制。此外，在治療過程中缺少光熱溫度和藥物釋放劑量的監(jiān)控手段，也阻礙了其在藥物研究與臨床上的應(yīng)用與發(fā)展。
為了克服傳統(tǒng)藥物遞送與釋放技術(shù)的局限，關(guān)柏鷗/冉洋團(tuán)隊?wèi){借多年豐富的交叉學(xué)科研究經(jīng)驗，開發(fā)了一種基于光纖的藥物遞送與光控藥物釋放系統(tǒng)。該方案不僅提供了一種精準(zhǔn)直接、高效能的腫瘤協(xié)同治療方法，還為藥物研發(fā)提供了一種全新高效的藥效評價與篩選平臺。
探索最優(yōu)藥物裝載和釋放方案
在腫瘤治療的領(lǐng)域，化療作為一種常規(guī)手段，雖然有效，但其副作用和遞送效率低下的問題一直是醫(yī)學(xué)界亟待解決的難題。
“從2022年初開始，我們基于對現(xiàn)階段光學(xué)診療技術(shù)以及化療技術(shù)局限性的思考，著手傳統(tǒng)藥物遞送與釋放技術(shù)研究的工作�！闭撐墓餐�通訊作者、暨南大學(xué)物理與光電工程學(xué)院教授冉洋表示，在最初開始籌劃項目與其他學(xué)科專家交流的時候，經(jīng)常會遇到的問題是，“光纖不是通信用的嗎？還能治療腫瘤？這也太神奇了吧？”
對此，關(guān)柏鷗/冉洋團(tuán)隊經(jīng)過不斷摸索，成功開發(fā)了“光纖腫瘤診療一體化”技術(shù)并以此為基礎(chǔ)開展更深入的光纖光控放藥技術(shù)�！肮饫w細(xì)如發(fā)絲，表面能否攜帶足夠量的藥物，從而清除腫瘤組織？這是我們項目最初遇到的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，這也關(guān)系到方案的可行性�！比窖笳f。
隨后，研究團(tuán)隊通過多種表征技術(shù)，探索出了最優(yōu)的藥物裝載和釋放方案，最終實現(xiàn)了對活體荷瘤小鼠模型的成功治療，治愈率達(dá)到了100%。該治療探針在活體實驗中通過快速主動釋放與緩釋結(jié)合治療達(dá)到了良好的腫瘤治療效果。
論文第一作者、暨南大學(xué)物理與光電工程學(xué)院碩士研究生張永康表示，由于光纖載藥探針尺寸小巧，可以深入到腫瘤中心位置進(jìn)行藥物釋放。通過活體監(jiān)測與表征，他們發(fā)現(xiàn)了一種全新的“中央-外周”腫瘤藥物擴(kuò)散釋放機制，增強了藥物的滲透性和滯留性。
據(jù)他介紹，該方案創(chuàng)造性地將抗腫瘤藥物修飾在光纖表面，通過微創(chuàng)介入的方式直接抵達(dá)體內(nèi)深處腫瘤病灶，不僅有效地突破了人體對于光能量穿透深度限制，還能完成精準(zhǔn)的光控藥物釋放，最終實現(xiàn)腫瘤的光熱與抗腫瘤藥物協(xié)同治療。
光纖技術(shù)革新腫瘤化療藥物遞送
“我們團(tuán)隊早期的主要研究方向是光纖傳感器，近年來側(cè)重于光纖傳感器在生物醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用研究。對光纖的深刻理解，讓我們有機會充分地挖掘光纖在生命健康領(lǐng)域的巨大潛力。”關(guān)柏鷗說。
據(jù)介紹，研究團(tuán)隊通過光纖介入的方法，將化療藥物直接遞送到腫瘤病灶處，避免了傳統(tǒng)化療方式中藥物經(jīng)體循環(huán)帶來的代謝損失和生物毒性。光纖作為藥物遞送載體，不僅具有高度的精確性和可控性，還能夠?qū)崿F(xiàn)藥物的原位釋放，從而大大提高了藥物的遞送效率和治療效果。
具體來說，研究團(tuán)隊利用生物可降解的溫控相變瓊脂糖水凝膠將抗腫瘤藥物包裹于光纖表面，通過光纖的光熱效應(yīng)引發(fā)凝膠相變，實現(xiàn)藥物在腫瘤病灶處的原位釋放。這一策略不僅克服了傳統(tǒng)化療方式中藥物遞送效率低下的難題，還巧妙地實現(xiàn)了光熱化療協(xié)同治療。
此外，研究團(tuán)隊在光纖載藥探針中集成了傳感器，用于實時監(jiān)測病灶處的溫度變化和藥物釋放劑量�！拔覀兝�用光纖布拉格光柵傳感器實時監(jiān)測病灶處溫度變化，利用基于反射式多模-單模光纖結(jié)構(gòu)的在線集成式馬赫-曾德干涉儀折射率傳感器實時監(jiān)測藥物濃度劑量，實現(xiàn)了光熱藥物釋放與治療的全過程實時監(jiān)控�！比窖笳f。
據(jù)介紹，在制藥領(lǐng)域，全球每年有超過90%的候選藥物無法通過臨床的批準(zhǔn)。其中，由于體循環(huán)毒性以及動物模型間藥物響應(yīng)差異的因素而失敗的藥物占到了三成�；�于光纖的藥物遞送系統(tǒng)直接將藥物精準(zhǔn)送達(dá)病灶，有效避開了體循環(huán)代謝系統(tǒng)，為藥物開發(fā)提供更加有效的評估手段。
“我們希望通過這一創(chuàng)新技術(shù)，能夠為腫瘤患者帶來更好的治療效果和更少的副作用。同時，我們也期待在臨床上得到廣泛應(yīng)用，為更多腫瘤患者帶來希望�！标P(guān)柏鷗表示。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01586-z
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