化疗是临床实践中癌症的常规治疗方法之一。然而，给药效率差、全身毒性和治疗期间缺乏药代动力学监测，是当前化疗的关键局限性。如何提高肿瘤化疗药物的递送效率，降低副作用？
针对这一问题，暨南大学物理与光电工程学院教授关柏鸥/冉洋团队与合作者给出了新的解决方案：利用光纤作为药物递送载体，将化疗药物直接送达肿瘤深部病灶。相关成果于今年9月发表于《光：科学与应用（英文版）》。
光纤光控药物释放精准攻击肿瘤概念示意图。
“我们提出并设计了一种基于光纤的药物递送与光控药物释放策略，将化疗药物通过光纤直接送达深部病灶，并实现了肿瘤光热与抗肿瘤药物协同治疗。”论文共同通讯作者关柏鸥对《中国科学报》表示。
每年罹患癌症死亡逾1000万人
癌症是由细胞分裂的病理生理学改变引起的，是全世界最致命的疾病之一。全球每年因罹患癌症（恶性肿瘤）而死亡的人数超过1000万。预计到2040年，这个数字将超过1600万。
作为目前癌症治疗的三大基石之一，化学疗法将抗肿瘤药物通过口服或者静脉注射等方式经由体循环系统递送至肿瘤患处，避免了手术和放射性疗法对身体造成的直接损伤。
然而，化疗药物的目标递送效率低导致的疗效有限和容易复发，以及在循环过程中不可避免地对正常器官和组织造成损害、副作用大等问题严重限制了当前肿瘤化疗的治疗效果。如何提高化疗药物的递送效率，降低副作用？成为肿瘤化疗领域亟待解决的关键难题。
药物控制释放策略可以有效地克服上述问题，因此受到了广泛关注。其中，光热驱动药物释放策略不仅能够在对正常组织器官低损伤的情况下实现药物可控性释放，还能利用局部热疗引起肿瘤微环境变化，促进肿瘤组织对药物的吸收，极具应用前景。
然而，生物组织对光的强烈吸收与散射，使得光热药物释放策略的治疗深度受到了严重限制。此外，在治疗过程中缺少光热温度和药物释放剂量的监控手段，也阻碍了其在药物研究与临床上的应用与发展。
基于光纤光控药物释放的肿瘤光热化疗协同治疗策略示意图。
为了克服传统药物递送与释放技术的局限，关柏鸥/冉洋团队凭借多年丰富的交叉学科研究经验，开发了一种基于光纤的药物递送与光控药物释放系统。该方案不仅提供了一种精准直接、高效能的肿瘤协同治疗方法，还为药物研发提供了一种全新高效的药效评价与筛选平台。
探索最优药物装载和释放方案
在肿瘤治疗的领域，化疗作为一种常规手段，虽然有效，但其副作用和递送效率低下的问题一直是医学界亟待解决的难题。
“从2022年初开始，我们基于对现阶段光学诊疗技术以及化疗技术局限性的思考，着手传统药物递送与释放技术研究的工作。”论文共同通讯作者、暨南大学物理与光电工程学院教授冉洋表示，在最初开始筹划项目与其他学科专家交流的时候，经常会遇到的问题是，“光纤不是通信用的吗？还能治疗肿瘤？这也太神奇了吧？”
对此，关柏鸥/冉洋团队经过不断摸索，成功开发了“光纤肿瘤诊疗一体化”技术并以此为基础开展更深入的光纤光控放药技术。“光纤细如发丝，表面能否携带足够量的药物，从而清除肿瘤组织？这是我们项目最初遇到的关键科学技术问题，这也关系到方案的可行性。”冉洋说。
随后，研究团队通过多种表征技术，探索出了最优的药物装载和释放方案，最终实现了对活体荷瘤小鼠模型的成功治疗，治愈率达到了100%。该治疗探针在活体实验中通过快速主动释放与缓释结合治疗达到了良好的肿瘤治疗效果。
论文第一作者、暨南大学物理与光电工程学院硕士研究生张永康表示，由于光纤载药探针尺寸小巧，可以深入到肿瘤中心位置进行药物释放。通过活体监测与表征，他们发现了一种全新的“中央-外周”肿瘤药物扩散释放机制，增强了药物的渗透性和滞留性。
基于光纤的多功能肿瘤治疗探针活体实验与治疗机制探索。
据他介绍，该方案创造性地将抗肿瘤药物修饰在光纤表面，通过微创介入的方式直接抵达体内深处肿瘤病灶，不仅有效地突破了人体对于光能量穿透深度限制，还能完成精准的光控药物释放，最终实现肿瘤的光热与抗肿瘤药物协同治疗。
光纤技术革新肿瘤化疗药物递送
“我们团队早期的主要研究方向是光纤传感器，近年来侧重于光纤传感器在生物医学方面应用研究。对光纤的深刻理解，让我们有机会充分地挖掘光纤在生命健康领域的巨大潜力。”关柏鸥说。
据介绍，研究团队通过光纤介入的方法，将化疗药物直接递送到肿瘤病灶处，避免了传统化疗方式中药物经体循环带来的代谢损失和生物毒性。光纤作为药物递送载体，不仅具有高度的精确性和可控性，还能够实现药物的原位释放，从而大大提高了药物的递送效率和治疗效果。
具体来说，研究团队利用生物可降解的温控相变琼脂糖水凝胶将抗肿瘤药物包裹于光纤表面，通过光纤的光热效应引发凝胶相变，实现药物在肿瘤病灶处的原位释放。这一策略不仅克服了传统化疗方式中药物递送效率低下的难题，还巧妙地实现了光热化疗协同治疗。
关柏鸥团队成员合影。本文由冉洋供图
此外，研究团队在光纤载药探针中集成了传感器，用于实时监测病灶处的温度变化和药物释放剂量。“我们利用光纤布拉格光栅传感器实时监测病灶处温度变化，利用基于反射式多模-单模光纤结构的在线集成式马赫-曾德干涉仪折射率传感器实时监测药物浓度剂量，实现了光热药物释放与治疗的全过程实时监控。”冉洋说。
此外，研究团队在光纤载药探针中集成了传感器，用于实时监测病灶处的温度变化和药物释放剂量。“我们利用光纤布拉格光栅传感器实时监测病灶处温度变化，利用基于反射式多模-单模光纤结构的在线集成式马赫-曾德干涉仪折射率传感器实时监测药物浓度剂量，实现了光热药物释放与治疗的全过程实时监控。”冉洋说。
据介绍，在制药领域，全球每年有超过90%的候选药物无法通过临床的批准。其中，由于体循环毒性以及动物模型间药物响应差异的因素而失败的药物占到了三成。基于光纤的药物递送系统直接将药物精准送达病灶，有效避开了体循环代谢系统，为药物开发提供更加有效的评估手段。
“我们希望通过这一创新技术，能够为肿瘤患者带来更好的治疗效果和更少的副作用。同时，我们也期待在临床上得到广泛应用，为更多肿瘤患者带来希望。”关柏鸥表示。（2024-11-14）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01586-z
原文标题：光纤药物递送与光控释放：肿瘤化疗的新希望
原文链接：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/11/533868.shtm
责编：李伟苗