局部遞藥水凝膠用于腫瘤術后治療的研究進展

李思明，張強，代文兵

（北京大學藥學院 分子藥劑學與新釋藥系統北京市重點實驗室，北京 100191）

腫瘤是當今致死率最高的疾病之一，臨床治療效果和預后生存期一直不夠理想。國際癌癥研究機構（IARC）提供的數據顯示，2018年約新增腫瘤病例1 700萬例和腫瘤相關死亡病例950萬例[1]。目前臨床主要治療方法包括手術、化療、放射療法和免疫療法，其中，外科手術切除依然是針對大多數早期和中期實體腫瘤的首選治療方案[2]。然而，即便是擴大切除范圍的根治性手術，也難以達到生物學上的根治，術后殘留的腫瘤細胞仍可能存在于手術部位邊緣甚至進入體循環中，這將增加腫瘤復發和轉移的風險[3]。在術后輔以全身化療和（或）放療已經成功應用于不同類型腫瘤患者[4]。然而，術后全身給藥后，能到達腫瘤切除部位的藥物很少，療效差，而高的給藥劑量還會帶來明顯的全身副作用；另外，腫瘤切除術后患者較虛弱，一般需術后2周或更長時間才能進行化療或放療，輔助治療的延時性可能導致錯過殺滅殘余腫瘤細胞的最佳時期[5-6]。

近年來，越來越多的國內外科研工作者開始致力于供腫瘤切除術后使用的局部給藥系統的研發。相對于全身給藥方式，局部用制劑具有諸多優勢[7-8]：1）提高了病灶局部的藥物濃度，更有效地清除殘留的腫瘤細胞；2）采用一定的緩釋制劑技術可以使藥物在局部發揮長效作用，減少給藥次數，提高患者順應性；3）大大降低抗腫瘤藥物進入血液循環的含量，減輕化療藥物全身毒性；4）能夠不經過生物屏障直達病患部位，對于某些部位，如腦部腫瘤，具有特別的優勢；5）填補了手術與全身化療之間的空白期，在殘余腫瘤細胞未轉移之前將其消滅，大大改善了腫瘤治療效果?，F已開發出了多種制劑，例如微球、納米粒、薄膜纖維、水凝膠等，Bu等[9]已對其進行了詳細的歸納總結。

水凝膠一般由天然或合成聚合物通過共價交聯和非共價作用形成的具有溶脹特性的三維網狀結構。早在20世紀60年代，Wichterle和Lim[10]通過聚合2-羥乙基甲基丙烯酸甲酯成功制備了一種生物用途的疏水凝膠。近20年來，天然水凝膠逐漸被合成水凝膠所取代。合成聚合物通常具有明確的結構，可以被修飾以產生特定的降解性和功能性，因此合成水凝膠具有更長的使用壽命、更高的吸水能力和更高的凝膠強度，即使在溫度劇烈波動的情況下依然能夠保持穩定。

水凝膠的三維聚合物網絡能夠吸收大量的水或生物流體。當形成水凝膠結構的聚合物中具有大量親水基團時，如-OH、-CONH、-COOH和-SO3H[11]，水凝膠表現出高度親水性，結合周圍水環境的性質，凝膠可以在不同程度上被水合，有的甚至可以結合超過自身90%質量的水[12]。相反，具有疏水特性的聚合物網絡，例如聚乳酸（poly lactic acid，PLA）或聚乙丙交酯（poly lactide-coglycolide，PLGA），則吸水能力有限，一般均低于凝膠自重的10%。雖然水含量決定了其各自獨特的理化性質，但總體而言，具有高含水量和低表面張力性質的水凝膠比其他任何種類的合成生物材料都表現出更好的生物相容性和生物可降解性[13]。

水凝膠可以通過多種經典化學方式合成：包括一步反應，例如多官能單體的聚合和平行交聯，具有反應性基團的聚合物分子的合成及其交聯等多步過程，以及使聚合物與合適的交聯劑反應等[14]。經科學家設計并合成的聚合物水凝膠往往還具有響應外界化學和生物學刺激的特性[15]。不斷發展的水凝膠制備技術促進了生物醫學領域的巨大進步，越來越多的研究者不僅在診斷成像、組織工程等方面[16]進行了探索應用，而且也廣泛地開展了一系列以水凝膠作為藥物遞送系統的研究。

聚合物交聯時形成的孔隙使得無論是親水性藥物還是疏水性藥物都可以高效穩定地裝載其中。當聚合物水凝膠連接了多種配體被化學修飾后，還可以用于主動靶向的藥物遞送[17]。根據交聯網格在溶脹時的尺寸大小控制了不同粒度制劑的釋放速度，降低了藥物在被遞送的過程中過早泄漏的風險，這也是水凝膠十分突出的優點。簡單有效的裝載及載藥后的物理穩定性使得水凝膠同樣適用于基因和蛋白質的遞送，它們與生物大分子形成復合物，不僅簡化了遞送方式，還使蛋白質能夠保持正確的形態，確保了其生物活性。在給藥方式上，水凝膠不再局限于傳統的口服和靜脈注射的全身給藥方式，還可以通過黏膜、腔道、經皮等局部給藥方式以起到局部治療甚至是全身治療的作用[18]。

當用作腫瘤術后的局部治療手段時，水凝膠不僅具有局部給藥系統的一般優勢，還具有以下多方面的獨特優勢[19-21]：1）除了傳統水凝膠的給藥形式（如涂抹或植入），還針對腫瘤術后的特點開發出新的原位形成凝膠（如注射用水凝膠和噴霧型水凝膠），簡化藥物遞送的同時也使操作更加便捷安全；2）多種智能高分子材料制成的水凝膠可以響應不同內部刺激（如酸堿度、溫度、離子強度等）和外部條件（如光、電場等），實現可控釋藥；3）除了遞送藥物的基本功能，該類水凝膠還有助于術后組織重建，例如具有適當機械強度的水凝膠可填補術后空腔，具有流變性能的水凝膠可以覆蓋至不平整創面的任何死角；4）可以包載多種類型的治療劑，將不同治療方法結合為一體，尤其是當包載免疫治療劑時不僅在局部起效，還可以發揮全身免疫的作用，增強抗復發抗轉移的功效。

本文總結了近5年發表的相關研究成果（見表1），發現用于腫瘤術后的水凝膠主要類型有3種：傳統植入型、原位成膠的注射用型和原位成膠的噴霧型（見圖1），其中，考慮到腫瘤切除術后的環境特點和用藥局限，原位成膠的水凝膠最具應用前景，本文將對相關代表性研究做重點描述。

表1 近5年發表的用于腫瘤術后治療局部遞藥水凝膠的研究成果Table 1 Research publications in the past 5 years of hydrogel-based local drug delivery for postoperative treatment of tumor

1 傳統植入型凝膠

傳統植入型凝膠在體外已被制備成具有一定的形狀和體積的制劑，使用時整個固體凝膠經植入放置在創面上，然后閉合傷口即可。這種植入型凝膠多為“支架型”結構水凝膠，特點之一在于具有更好的機械強度，被植入后可有效地支撐術后空腔，有助于組織重建，尤其適用于乳腺癌術后。Wu等[22]構建了RADA16-I肽支架型水凝膠，體內實驗表明，支架在皮下植入后形成圓形團塊，輕輕按壓后仍保持其形狀，滿足了女性在乳腺切除后的塑形需求。植入型凝膠的另一特點在于凝膠的基質材料更加穩定和安全。哈佛大學的Park等[23]使用透明質酸制備的水凝膠支架既可以達到緩慢釋放藥物的效果，又對人體無害。為了驗證它的穩定性和生物相容性，將水凝膠支架進行熒光標記后，分別放置在乳腺癌模型小鼠的腫瘤切除部位以及正常小鼠的皮下部位，發現它可在5周內開始降解，12周內完全吸收，植入后12 h和15周進行組織病理學分析，結果表明，植入部位組織無異常，提示其具有良好的生物可降解性和生物安全性。

為了滿足不同部位水凝膠植入的需求，3D打印技術也被用于制備水凝膠。例如Cho等[24]運用了3D打印中熔融沉積技術精密構建直徑16 mm、厚度2 mm，攜帶紫杉醇和雷帕霉素的凝膠盤，作為卵巢癌術后根除殘留腫瘤組織和防止腹膜粘連的局部用藥。Luo等[25]以海藻酸鹽-多巴胺偶聯物為主體材料經3D打印得到的支架凝膠具有良好的柔韌性，在彎曲、滾動和拉伸的連續過程之后，都可以恢復到其原始形狀。而且支架內含孔徑大于1 mm且孔隙率約為90%的大孔幫助血管生成，對于長期的大體積乳房重建有最佳效果。

然而傳統的植入型凝膠用于腫瘤術后的局部治療時存在相當多的局限性，最大的問題就是難以完美匹配術后的創面。創面一旦不夠平整、光滑，填充固體凝膠后，依然存在著微小空腔和死角，不能實現完全覆蓋給藥。因此，植入型凝膠制劑最大的優勢在于支撐與塑形，但其用于完全清除殘留的腫瘤細胞，進而抑制腫瘤的復發與轉移時具有明顯不足。

2 原位形成水凝膠

原位形成水凝膠（in situ forming hydrogels）又稱即型水凝膠、在位水凝膠[51]，是指將其以溶液或半固體狀態給藥，當接觸用藥部位的機體生理條件或受到其他環境因素的影響后，即發生相轉變，形成半固體凝膠狀態的制劑?！叭苣z-凝膠”的轉變過程也是原位形成水凝膠的核心，溫度、酸堿度、光、電、壓力等都可以是觸發轉變的因素[52]，這取決于所用基質材料的敏感性。在遞送藥物方面，它比傳統水凝膠有著更大的優勢[53-54]：1）液體形式給藥更完美地全覆蓋創面，與作用部位緊密接觸；2）根據環境響應成膠，成膠后具有一定黏著性，長時間釋藥；3）給藥方便且劑量可控。因此，原位形成水凝膠是目前研究最多，應用最廣泛的腫瘤術后局部使用的凝膠，其中注射用和噴霧型2種給藥方式最具代表性。

2.1 注射用的原位凝膠

注射用的原位凝膠最大的特點在于給藥裝置的簡單：借助常見的醫用注射器即可完成整個給藥的過程，在乳腺腫瘤、腹腔腫瘤、皮膚腫瘤、腦腫瘤等術后均可使用。從近年發表的文獻中可以發現，研究人員不僅結合了原位形成水凝膠和注射用的雙重優勢，還更多地考慮到不同腫瘤術后的環境特點，開發了具有特定優勢的術后注射用的水凝膠。

一些腫瘤術后易形成形狀不規則的空腔和不平整的創面，為了滿足術后給藥盡可能全覆蓋的目的，Wu等[26]以α-環糊精和聚乙二醇化Fe3O4為主要基質材料制備了自組裝的超分子磁性水凝膠（magnetic supramolecular hydrogel，MSH），實現了剪切稀化（shear-thinning）和熱可逆的“溶膠-凝膠”轉變的性能，賦予了凝膠的可注射性。凝膠中除了聚乙二醇化Fe3O4作為熱療劑，還包載了小分子化療藥阿霉素，共同預防乳腺癌小鼠模型中的腫瘤復發。當MSH被均勻地注射到術后傷口上并且暴露于交流磁場時，流動的MSH可以與形狀不規則的術腔無死角地完美匹配?！叭苣z-凝膠”轉變過程中磁性納米粒子介導的感應熱不僅觸發雙層包封的阿霉素釋放，還提供了熱誘導細胞損傷的作用。類似地，Gao等[27]開發的磁性水凝膠不僅將化療和熱療融為一體，還具有一定自我修復的保形能力，包載的阿霉素可以響應pH值而釋放，適用于乳腺腫瘤術后的局部抗復發。

在腦部腫瘤的治療手段中，大規模的徹底手術切除通常是不可實現的，因為往往都會波及到腫瘤主體之外的腦實質、腦干、間腦和控制語言、運動和感覺的新皮質區域[28]，而且浸潤性腫瘤細胞總是保留在周圍的腦實質中，導致晚期腫瘤復發。美國FDA批準的Gliadel?是一種載有卡莫司汀的聚合物薄片，作為腦腫瘤治療中的局部藥物遞送，但釋藥時間短和局部副作用是其在應用時的重大局限[29]。由此可見，術后的局部給藥需要兼顧殺滅腫瘤細胞和保護組織的雙重平衡。Zhao等[30]開發了可光聚合的PEG-二甲基丙烯酸酯水凝膠用來遞送紫杉醇PLGA納米粒，用其治療膠質母細胞瘤（glioblastoma，GBM）。該凝膠在注射后經400 nm的光照射即可聚合、立即形成填充整個空腔的固體凝膠。適宜的機械強度使其在腦內具有良好的相容性，注射4個月后，小鼠的耐受性良好。以GBM原位荷瘤小鼠為模型的藥效學研究中，經腫瘤切除后給予載藥凝膠治療，超過50%的小鼠的生存期得以延長。

95%的腹腔腫瘤患者在腹腔腫瘤術后出現腹膜粘連的現象，引起一系列并發癥[31]。所以，在設計用于腹腔腫瘤術后的注射用水凝膠時，重點要考察的就是凝膠的抗粘連效果。Lee等[55]用透明質酸和羧甲基纖維素鈉交聯制備了水凝膠用于腸癌術后，在（Sprague-Dawley）大鼠體內進行抗粘連效果評分，結果顯示高黏度的水凝膠在作用部位的保留時間更長，起到更好的防止腹內粘連的效果，也有助于內載的化療藥物奧沙利鉑釋放。在另一項大鼠腹膜內給藥后的體內藥動學研究中[56]，包載奧沙利鉑PLGA微粒的水凝膠給藥組顯示出比單獨給予奧沙利鉑溶液組更低的血藥峰濃度、更長的滯留時間和更好的生物利用度。除了防粘連，腹腔內注射用原位成膠系統還需減少和腹腔內其余正常組織的接觸，避免損傷。Chen等[57]將阿霉素裝入N-異丙基丙烯酰胺（HACPN）熱敏水凝膠中，不僅考察其抗腫瘤效果，更著重考察其對正常組織的影響。體外表征實驗的結果證明低溫時水凝膠以自由流動的溶液形式存在，當升至37℃時，即可發生“溶膠-凝膠”轉變。體內實驗的結果證明了當凝膠被注射進腹腔后可快速成膠，未曾溢出，不會損傷正常組織。

注射用的原位凝膠不僅在實驗室開展了廣泛研究，而且已有進入臨床試驗的產品。OncoGelTM[58-59]是Micromed公司基于ReGel?這種溫度敏感型的生物可降解凝膠材料開發了一種局部用紫杉醇制劑，具有靶向緩釋的特點。ReGel?是PLGA-PEGPLGA的商品名，是一種三嵌段型的高分子聚合材料，其本身具有良好的生物相容性和溫度敏感的特點，在較低的溫度可以保持液體流動狀態，在2 ～15℃可以轉化為凝膠[60]，并且對難溶性藥物具有一定的增溶效果，因此被廣泛用于藥物的局部遞送，可用于顱內、眼內、皮下、肌肉等部位[61-62]。在對OncoGelTM的非臨床藥效學考察中，Gok等[63]選用 CRL-1666 大鼠脊髓腫瘤轉移模型設計了3個實驗：1）OncoGelTM作為手術切除后輔助化療用藥；2）OncoGelTM與放療相結合用于腫瘤手術切除后；3）OncoGelTM與放療聯合作為非手術的治療方案?？鼓[瘤藥效以BBB評分（Basson Beattie&Bresnahan locomotor rating scale，BBB scale）和動物生存率作為定量考察指標。實驗結果表明，在實驗1中，2項指標 OncoGelTM+手術組均優于單一手術組；在實驗2中，OncoGelTM+放療+手術組的BBB評分和生存率優于手術+放療組；在實驗3中，OncoGelTM+放療組效果優于單獨放療組。目前OncoGelTM在美國已經進行了2項臨床試驗[64-65]，目前都已經完成并給出結論。2項臨床試驗均被設計成劑量爬坡試驗，試圖探究OncoGelTM在人體內的安全性和耐受性以及初步藥效學。但是，臨床試驗中OncoGelTM只側重了局部給藥形式而不是強調用于術后，且因為一些其他原因沒有繼續開展，所以在此不做詳細說明。

2.2 噴霧型原位凝膠

噴霧型凝膠在使用時需借助小型噴霧器，噴灑在創面上即可形成一層厚度均一的薄膜凝膠，特別適用于創面較大的腫瘤切除術后，既能全面覆蓋傷口起到止血和保護組織的功效，又能均勻釋藥且易降解。

Shao等[32]將黑磷納米片包載于聚丙交酯-PEG類生物相容可降解的熱敏水凝膠中，構建出一種用于腫瘤術后的新型光熱光動力治療系統。黑磷納米片在近紅外條件下具有高吸收和高光熱轉化的效率，均勻分布在熱敏基質材料里時可通過近紅外誘導完成“溶膠-凝膠”的快速轉變，而且在體內生理環境中最終可以降解為無害的磷酸鹽。在荷瘤裸鼠的手術創面上噴涂溶膠，用808 nm的近紅外輻射，液體快速凝膠化，在傷口上形成凝膠化膜。持續輻射30 s，凝膠溫度迅速升至58.5℃，充分達到了光熱殺滅腫瘤細胞的目的，且抗菌防感染。

Chen等[33]開發了一種噴霧型免疫治療纖維蛋白凝膠，用于抑制手術后局部腫瘤復發和遠端腫瘤的發展。纖維蛋白凝膠是國內外已批準的材料，由纖維蛋白原和凝血酶相互作用形成，具有出色的生物相容性。纖維蛋白原和凝血酶分別貯存在一個雙儲液噴霧器，使用時噴霧溶液中二者一經混合，會迅速在傷口處形成凝膠狀的纖維蛋白，有助于止血并促進傷口愈合。與此同時，噴霧里的“aCD47@CaCO3”納米顆粒也會一步到位凝固在凝膠內，直接作用于傷口。CaCO3納米顆粒充當免疫調節療法的釋藥庫以及質子清除劑，它在呈現微酸性的傷口及腫瘤微環境里被逐漸溶解，釋放其中的抗CD47藥物；當傷口及潛在腫瘤的弱酸環境被碳酸鈣“中和”后，還可以增強巨噬細胞的活性，加強它們清除體內異物的能力。在接受了手術切除的晚期黑色素瘤小鼠中，噴霧凝膠治療組的小鼠有半數未被再檢測到殘余的腫瘤細胞，術后生存時間至少達到60 d。在腫瘤轉移的模型小鼠中，手術局部使用噴霧凝膠后，遠端的腫瘤生長也得到了抑制，說明免疫系統中的T細胞也會被這種治療性凝膠激活，攻擊潛在的、轉移的腫瘤細胞，發揮全身的治療作用。

3 總結與展望

水凝膠制劑作為腫瘤術后局部遞藥系統已成為近年來抗腫瘤藥物遞送研究的熱門方向，研究者們將水凝膠自身特點優勢與臨床需求結合起來，開發出了可植入的水凝膠、具有剪切變稀性質的水凝膠以及通過注射或噴霧等方式給藥的原位形成水凝膠。研究者們還通過對基質材料的設計來賦予凝膠多種理化性質以適用不同術后環境，通過對包載治療劑的搭配組合實現了化療、光熱治療、免疫治療等多種途徑相結合的抗腫瘤目的，尤其是一些包載腫瘤疫苗的水凝膠不僅可以發揮局部防復發的作用，還能激活免疫系統，達到全身抗轉移的效果，這可能是未來應用的一個重要趨勢。此外一些先進制備技術和精密裝置的引入，也有助于簡化和規范局部抗腫瘤的凝膠制劑的制備與使用。

然而，用于腫瘤術后治療局部遞藥水凝膠的研究仍有不足之處，比如這些水凝膠雖然在各種嚙齒類動物腫瘤模型上得到了抗腫瘤有效性的驗證，在考察體內藥效時多用皮下異位腫瘤模型，術后給藥操作簡單，但是異位腫瘤模型的主要局限性在于缺乏腫瘤特異性微環境，未來的研究發展中還需在原位腫瘤模型中進一步試驗。而且現在少有對此類凝膠制劑在體內的藥動學相關研究，也缺乏長期安全性的跟蹤報道。

另外，用于腫瘤術后局部遞藥的水凝膠的轉化和應用前景同樣充滿挑戰。首先，結合多種治療策略、包載多種治療劑的水凝膠遞送系統雖然發揮了很好的抗復發和抗轉移效果，但是其體系設計過于復雜，對于產品的放大制備以及質量控制都是巨大的挑戰。將簡單的水凝膠制劑和已上市的藥物制劑組合使用可能更具應用前景。其次，各種智能響應型水凝膠雖然顯示出局部釋藥的可控性，但是在單位時間內藥物的釋放量仍難以精確控制，尤其是用于術后的傷口，對藥物釋放行為的精確性的要求更高，例如，應避免過多的藥物突釋而影響傷口愈合。因此，如何改善智能響應型水凝膠的材料性能，提升藥物釋放量及釋放速率的精確性，是轉化研究中需重點解決的問題之一。最后，提高水凝膠在臨床使用的便利性也是設計中需要考慮的，例如，有些注射用原位凝膠在針頭內過早成膠，應設計在更精確溫度下膠化的膠凝劑，將有助于降低臨床風險。

總之，局部遞藥的水凝膠在腫瘤術后治療方面雖然取得了很大進展，但從腫瘤治療藥物臨床轉化的角度上講，局部用水凝膠還不能完全替代現有的輔助治療手段。目前，將其作為現有術后輔助治療手段的補充可能更具有前景。