《Journal of Controlled Release》：Multi-interfacial microbubbles controlled sequential cavitation for synergistic vascular destruction/chemotherapeutic therapy
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微泡介导的机械化疗协同显著抑制肾细胞癌血管生成并增强药物渗透。
陈天东|张晨毅|赵彦晓|王雅坤|李明曦|刘洋|王晓|刘双宇|穆丹|杨芳
中国东南大学生物科学与医学工程学院数字医学工程国家重点实验室，南京211189
摘要
微气泡在生物医学中已成为一种多功能的治疗诊断平台。除了作为超声造影剂利用空化效应外，微气泡现在还能实现靶向药物输送和精准肿瘤消融。在这项研究中，我们通过疏水性介孔二氧化硅纳米粒子（hMSNs）的界面自组装，制备了载有多柔比星（DOX）的多界面微气泡（DOX-MIMBs），构建出具有持续声学活性的层次结构微气泡。hMSNs与气液界面的强亲和力有助于传递空化效应。在低强度超声（<3 W/cm2）照射下，初级微气泡破裂会产生次级气泡，这些次级气泡通过hMSNs介导的气液界面重建迅速稳定，并能够再次发生空化。这一过程实现了能量级联的空化效应——连续的气泡生成一直持续到声能耗散，从而比传统的脂质壳微气泡具有更长的空化持续时间。DOX-MIMBs产生的顺序声机械扰动引发了协同肿瘤治疗效应：选择性地破坏机械性塌陷的肿瘤血管，并增强化疗效果，使DOX在肿瘤中的分布更广、渗透更深。通过整合气泡空化产生的冲击波和微流，DOX-MIMBs在肾细胞癌模型中实现了肿瘤体积约90%的减少。这种先进的DOX-MIMBs机械药物输送系统实现了从全身药物轰炸到局部机械化学肿瘤抑制的范式转变，为肿瘤精准治疗提供了有力策略。
引言
肾细胞癌（RCC）是肾脏中最常见且致命的恶性肿瘤之一，约占所有肾癌的90%[[1], [2], [3]]。肾细胞癌是一种高度血管化的恶性肿瘤，血管生成在其进展和转移中起着关键作用[4,5]。尽管抗血管生成药物（如血管内皮生长因子抑制剂）在临床上取得了成功，但其长期疗效受到药物耐药性、不良副作用和肿瘤反应不完全的限制[6,7]。因此，迫切需要新的创新方法来抑制血管生成并提高治疗效果。
鉴于肿瘤的生长和进展依赖于新生血管的形成，通过非侵入性物理方法抑制血管生成可能是抑制RCC的新策略[8,9]。超声介导的微气泡空化（UMC）因其非侵入性、局部作用以及精准破坏肿瘤血管的潜力而受到广泛关注[10,11]。微气泡是充满气体的囊泡，具有脂质、蛋白质或聚合物壳层，在超声照射下会振荡并破裂。微气泡的破裂或空化可以产生机械力，导致血管内皮损伤、短暂血管收缩和血栓形成[12,13]。针对其他实体瘤（如肝细胞癌和胶质母细胞瘤）的临床前研究表明，UMC能有效减少肿瘤灌注，机械性地破坏不成熟的肿瘤血管，并下调血管内皮生长因子[14,15]。重要的是，这种机械破坏绕过了抗血管生成药物的分子抵抗机制。然而，传统脂质壳微气泡的不稳定性常常导致空化效果差和药物泄漏。
界面气泡的卓越寿命和稳定性已被广泛认可，并吸引了研究人员的兴趣[[16], [17], [18]]。虽然传统壳层微气泡的稳定性取决于壳材（磷脂、聚合物和白蛋白）[[19], [20], [21]]，但界面气泡的存在依赖于基底材料。尽管界面气泡的形成机制尚不明确，但有越来越多的证据表明基底材料上的接触线对于界面气泡的形成是必要的[22]。此外，固体基底的疏水性也有助于界面气泡的形成[23]。尽管有一些尝试利用界面气泡进行肿瘤治疗[[24], [25], [26]]，但这些界面气泡受到粒径的限制，导致气泡空化效果不佳且血管破坏作用有限。
在这项研究中，我们提出了一种新型的顺序空化治疗平台——多界面微气泡（MIMBs）。MIMBs是由多个疏水性介孔二氧化硅纳米粒子（hMSNs）组装而成的曲面稳定气泡。选择广谱抗肿瘤药物多柔比星（DOX）并将其装载到hMSNs的疏水介孔中，制备出用于声触发顺序空化以增强药物渗透的DOX-MIMBs。由于MIMBs的界面特性，它们表现出更强的稳定性，从而减少了血液循环过程中的药物泄漏。如图1所示，在低强度脉冲超声（LIPUS）作用下，DOX-MIMBs在初次空化后会产生次级气泡，这些次级气泡会迅速被hMSNs重新稳定，从而实现顺序空化。这种时空可控的空化效应具有双重机械药物作用：i) 血管破坏：顺序惯性空化导致肿瘤血管收缩，形成血栓并阻断肿瘤血液灌注；ii) 增强化疗：顺序空化打破屏障，促进DOX的血管外渗，实现比被动渗透和保留（EPR）介导的输送更深的肿瘤内渗透。因此，这种层次结构设计的MIMBs能够结合物理和药理机制，实现从全身药物轰炸到局部机械化学肿瘤抑制的范式转变。
材料
介孔二氧化硅纳米粒子（MSNs，140–180 nm）来自南京XFNANO材料科技有限公司（中国）。多柔比星（DOX）、FITC-葡聚糖（70 kDa）和六甲基二硅氮烷（HMDS）购自上海麦克莱恩生化技术有限公司。商用微气泡SonoVue购自意大利米兰的Bracco公司。1,1′-二十八烷基-3,3,3′,3′-四甲基吲哚菁过氯酸盐（DiI）由南京KeyGEN BioTECH公司提供。兔单克隆抗CD34抗体（ab316277）购自...
MIMBs的制备与表征
MIMBs是通过振动法制备的。如图1A所示，hMSNs与空气和生理盐水在密封容器中混合。剧烈振动时，首先会产生较大的气泡。随后，hMSNs迅速吸附到大气泡的气液界面，形成hMSNs稳定的泡沫或大气泡（数十微米大小）（见图S1）。进一步剧烈摇晃后，这些hMSNs稳定的泡沫和大气泡的尺寸减小，生成了MIMBs。MIMBs的平均尺寸为...
结论
总之，MIMBs本质上是多界面微气泡，具有与传统气体包裹微气泡不同的独特稳定性和超声响应性。传统微气泡产生的次级气泡在初次空化后迅速消散，而MIMBs产生的次级气泡由于疏水表面与气液界面的亲和力而能迅速被hMSNs重新稳定，从而实现持续的空化。
作者贡献声明
陈天东：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法学、研究、概念化。张晨毅：方法学、研究。赵彦晓：方法学。王雅坤：研究。李明曦：验证、方法学。刘洋：研究。王晓：验证。刘双宇：方法学。穆丹：监督、资源提供。杨芳：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、项目管理、方法学。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFF0713600）、江苏省自然科学基金（BK20222002）以及江苏省项目333的财政支持。
