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經過多年努力，北京科技大學數理學院宋玉軍教授團隊近期在現代物理技術與生物醫學工程及中藥現代化領域的交叉創新研究上取得一定進展。團隊從納米藥物智能化抗腫瘤效果的分子結構設計出發，研制出國際上首款系列化有機無機復合多模靶向控釋納米中藥，在肝部腫瘤治療上療效顯著，成果相繼發表在Small、Chem Mater、Acta Biomaterialia等領域期刊上。

此類多模靶向納米藥物的核心是具有多模影像（可見光到紅外（OI）、磁共振成像（MRI）、計算機輔助X光斷層掃描（CT）等）功能的異質結構納米粒子（如Au@CoFeB、Fe@FeOx）和中藥有效成分（如人參皂苷Rg3）。其中異質結構納米粒子采用發明的程序微流體方法可控合成，進而采用發明的雙硅烷表面改性成分激活共扼偶聯法制備，構建水動力學半徑約200-400nm的納米藥物聚集體。該納米藥物聚集體具有自主靶向腫瘤微環境因子（如pH、溫度）、開展集團軍多兵種聯合作戰抗腫瘤的效果。在一定劑量下，這些納米藥物在肝癌和血癌治療上效果顯著，且對正常的血管上皮細胞和免疫細胞基本無毒副作用，且有激活機體免疫系統和遠端效應抗腫瘤復發和轉移的功能，同時具有光動、光熱、磁動、磁熱等理化消融和調節腸道菌落抗腫瘤的效果；還可以可視化研究抗腫瘤療效和機理。

最近團隊在突破化學動力學療法（CDT）臨床應用的關鍵技術瓶頸“用藥安全性和藥物有效利用率”以及實施多模成像、靶向腫瘤微環境（TME）、同步激活鐵死亡-凋亡雙重機制抑制腫瘤方面又取得創新成果。研究成果以“Dynamic ginsenoside-sheltered nanocatalysts for safe ferroptosis-apoptosis combined therapy”為題，在Acta Biomaterialia上在線發表，https://doi.org/10.1016/j.actbio.2022.08.026。（*CDT激活細胞凋亡是一種潛在的抗癌策略，但其具有嚴重的毒副作用以及治療效率低等問題，嚴重制約其臨床醫學轉化。）

團隊在前期工作（Z Ren, et al., Small 16(2020)1905233; W Zhang, et al., Chem Mater 32(2020)5044; Zhao X, et al, Nanoscale Adv 4(2022)190）基礎上，以發展胰腺癌治療用多模靶向納米藥物為例開展該項研究，設計并使用上述發明的程序微流體和雙硅烷共軛偶聯方法制備出具有MRI和CT影像功能的納米中藥FePt@FePtOx-Rg3（NFPR）；進而通過離體細胞和活體動物實驗對其細胞毒性、組織毒性、療效安全性和機理進行研究。通過MRI和CT影像原位示蹤治療過程中藥代動力學，結合治療過程中準原位的生化指標、組織器官病理切片等分析，揭示其提高用藥安全性和療效的機制（圖1）。Rg3表面工程后的納米酶在系統給藥后顯著改變納米酶的藥代動力學和器官內分布，從而避免了納米藥物中無機核（特別是含毒性比較大的金屬如Pt類納米藥物）在抗腫瘤治療中的毒副作用，有效解決了傳統納米粒子的自主肝富集問題，避免了納米粒子對肝的損害，極大地提高了納米藥物的生物安全性（圖1）。Rg3保護的納米催化劑在生理環境中具有良好的穩定性，其高親水表面使其在血液中的循環時間更長，可以在腫瘤細胞鐵死亡的Fenton反應激活劑到達腫瘤之前克服對多種內源性因素的易感性，在腫瘤細胞微環境內化后實現特異性釋放，積累大量ROS；同時也釋放出少量氧氣有效克服缺氧，增強腫瘤組織氧化損傷的作用。因此，腫瘤細胞的凋亡和鐵死亡同步發生（圖2）。NFPR優秀的血液循環能力導致了更多NFPR富集到腫瘤部位，無機核心還可以充當細胞內化載藥平臺，促進更多的Rg3進入腫瘤細胞內，顯著提高了納米藥物整體細胞內化力；納米藥物被內吞后，表面的Fe2+和Fe3+離子在FePt催化下與細胞質中的過氧化氫反應生成大量活性氧同系物（ROS），破壞線粒體和細胞核，在Fe2+的存在下同步激活細胞凋亡和鐵死亡，具有顯著的有機-無機組份協同抗腫瘤效果（圖3）。團隊通過活體動物MRI和CT準原位雙模成像結合血生化和病理切片染色分析等進一步驗證了NFPR在腫瘤處富集促進細胞凋亡和鐵死亡雙輪驅動的抗腫瘤機制（圖4）。

圖1 胰腺癌治療過程中對納米藥物在活體動物不同器官處的病理切片和血生化分析。(A)通過ICP-MS對注射FePt和納米藥物NFPR后在開始不同時間節點處的鐵在不同器官處的分布分析；(B) 21天時不同用藥組小鼠的體重；(C)注射FePt和納米藥物后21天時不同組織處鐵分布分析；(D)不同對照組的肝部H&E染色分析；(E) 不同對照組的其它器官處的H&E染色分析；(F)不同藥物處理后21天時肝部的血生化分析。

圖2 納米藥物NFPR離體細胞毒性和藥理研究。（A）不同孵化條件下孕育24小時后L3.6pl胰腺癌細胞的存活率。（B）不同孵化條件下孕育24小時后胰腺正常導管上皮HPDE細胞存活率。（C）通過流式細胞儀雙氯熒光黃乙酸乙酯染色分析的不同藥物處理L3.6pl細胞24小時后ROS水平。（D）不同給藥24小時后經DCFH-DA染色后使用流式細胞儀的定量分析。（E）在不同的藥物處理24小時后胰腺癌細胞L3.6pl的免疫印跡實驗揭示的細胞凋亡通路bax、bcl-2、谷胱甘肽過氧化物酶-9、谷胱甘肽過氧化物酶-3和DGAPDX鐵依賴性細胞固定蛋白水平動力學定量分析。（F）用不同藥物處理L3.6pl胰腺癌細胞后谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽比率。（G）不同給藥24小時后使用L3.6pl的免疫印跡實驗對GPX4水平的分析。（H）不同藥物處理后的海馬XF24細胞外液分析揭示了L3.6pl 細胞的線粒體功能的OCR。（I）用JC-1對L3.6pl胰腺癌細胞染色后的共聚焦激光掃描顯微鏡圖像。（J）NFPR孵化后不停時間對L3.6pl細胞的線粒體狀態變化的生物透射電子顯微鏡圖像。

圖3 制備多模靶向有機-無機復合納米中藥FePt@FePtOx-Rg3及其各級組份在協同作戰治療胰腺癌中突破CDT療法中關鍵瓶頸問題的策略示意圖。

圖4 小鼠靜脈注射納米中藥FePt@FePtOx-Rg3的成像效果和對其抗癌療效機制的活體示蹤測試。（A）活體動物實驗方案。（B）靜脈注射FePt納米粒子和NFPR納米藥物后血漿中Fe濃度時間變化曲線（n=3）。（C）靜脈注射Rg3和NFPR納米藥物后血漿中Rg3濃度時間變化曲線（n=3）。（D）靜脈注射NFPR納米藥物后腫瘤處MRI的T2WI權重隨時間變化曲線（B0 = 7.0 T）。（E）不同藥劑給藥后在不同時間點（0天、7天、14天、21天）時腫瘤處的CT掃描圖像。（F）不同藥劑給藥后腫瘤部位生物發光圖像的定量分析。（G）不同藥物處理21天后小鼠腫瘤組織的最后重量（n = 5)。（H）不同用藥方式21天后取出的腫瘤離體圖像。（I）不同對照組小鼠腫瘤組織切片的H&E、Ki67、HIF 1-α、VEGF和TUNEL染色分析。

為了進一步提高用藥安全性，近期團隊又設計了高生物相容性的由天然聚合物交聯構建的互穿網絡多孔水凝膠載藥體系，并發明了液滴微流體技術將納米中藥水凝膠膠囊化，具有高效的口服輸運和靶向腫瘤微環境控制釋放效果，實現了該類納米藥物的口服化（R Liu, et al., RSC Adv 11(2021)37814）

以上研究成果是在國家科技重大專項（2018ZX10301201）、國家自然科學基金國際（地區）合作與交流項目（51862245309）和國家自然科學基金面上項目（51971029）以及杭州睿笛生物科技有限公司和鄭州天兆醫療科技有限公司的資助下，和浙江大學陳新華團隊和王本團隊、廈門大學李文崗團隊及哈佛大學David Weitz團隊合作完成，北京科技大學為第一完成單位。