《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Microfluidic Gd3+-chelated hydrogel microspheres enable MRI-visible, image-guided photothermal chemotherapy for pancreatic cancer
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双网络甲交联明胶（GelMA）水凝胶微球平台集成光热治疗、化疗和MRI可视化功能，通过微流控技术实现单分散微球制备，利用Gd3?作为MRI对比剂，可在活体中连续15天非侵入性监测胰腺癌光热化疗疗效，证实其67.2%的光热转化效率和良好生物安全性。
魏王|钱进华|夏先武|李健|刘赤波|王斌辉
浙江省台州市台州大学附属医院介入肿瘤科，邮编318000，中国
摘要
创新性生物材料在生物医学领域发挥着越来越重要的作用，它们被用作药物输送载体、组织修复支架等。然而，在基于生物材料的干预过程中，对于体内病变发生和进展的实时、纵向监测的有效方法仍然有限。磁共振成像（MRI）具有高空间分辨率和出色的软组织对比度。本文将钆离子（Gd3+）结合到双网络明胶甲基丙烯酸（GelMA）水凝胶微球平台中，用于光热-化疗。通过微流控技术和光交联方法制备出单分散微球，这种MRI可见的生物材料可用于胰腺癌治疗，实现了对材料和治疗反应的非侵入性实时追踪。通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、光谱分析和光热测量来表征微球的形态和光热性能，并建立了胰腺癌模型进行体内评估。在水凝胶微球原位注射后，通过连续MRI监测其肿瘤内分布和治疗效果。这些微球的MRI对比度半衰期为32小时，支持长达15天的连续MR监测，从而能够清晰地观察肿瘤演变过程。此外，该系统在体内表现出良好的安全性，没有明显的毒性。
引言
胰腺癌是消化道中最常见的恶性肿瘤之一，由于其侵袭性强和临床预后差，常被称为“癌症之王”[1]、[2]、[3]。据报道，诊断后的五年生存率约为10%，使其成为预后最差的恶性肿瘤之一[4]、[5]、[6]。临床上，胰腺癌发病隐匿且症状不典型，导致早期发现和及时干预尤为困难。近90%的病例为起源于腺上皮的胰腺导管腺癌[7]、[8]。近年来，胰腺癌的发病率和死亡率显著上升。早期诊断率低、手术死亡率高以及治愈潜力有限，这些都凸显了迫切需要更有效的治疗策略，尤其是那些能够持续监测病变进展和治疗反应的策略[4]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。
目前，用于监测组织再生及相关生物过程的主要成像技术包括磁共振成像（MRI）[14]、[15]、X射线成像[16]、[17]、[18]、计算机断层扫描（CT）[19]、[20]、放射性核素成像[21]、[22]以及体内光学成像[23]、[24]、[25]。X射线和CT通过多层扫描基于组织密度差异生成灰度图像，但对软组织的对比度有限，且在某些应用中分辨率不足。相比之下，MRI无需使用电离辐射即可提供更好的软组织成像效果。然而，其相对较慢的采集速度可能限制了某些再生过程中的常规纵向监测。此外，许多成像方法依赖于外源性造影剂，可能无法实现含有金属成分的植入样本的高清晰度可视化。尽管已经广泛研究了具有高生物安全性和可控药物释放能力的可注射和可降解生物材料作为治疗载体，但大多数报道的系统主要侧重于治疗，缺乏基于成像的治疗过程评估功能。因此，显然需要设计出既能促进肿瘤消融又能实现材料介导的肿瘤消退实时、非侵入性监测的多功能生物材料。
水凝胶在这方面特别具有吸引力，因为其化学组成和表面物理化学性质可以合理调整，以实现所需的生物功能，而无需引入额外的生物活性成分[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。微流控技术能够在微观和纳米尺度空间内精确操控流体，为制备高均匀性的单分散水凝胶微球提供了强大平台[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。作为广泛使用的非侵入性成像技术，MRI具有多种脉冲序列、高空间分辨率和对软组织的优异敏感性。在生物材料和组织工程领域，MRI已被用于评估组织再生和修复，主要通过T1/T2加权成像、水扩散系数测量和弹性成像来实现。例如，Neves等人使用9.4T MR显微镜和MR光谱（MRS）评估了体外灌注生物反应器中工程化半月板软骨的生长情况，而Potter等人使用9.4T MR显微镜分析了有无脂肪抑制的组织工程指骨中的脂质成分。为了进一步提高诊断准确性，通常会引入MRI造影剂以增强图像信噪比。
本文将基于方酸的光热剂钆离子（Gd3+作为MR造影成分，以及多柔比星作为化疗药物，通过微流控技术整合到缓释水凝胶微球中。通过光谱分析和形态学表征，阐明了水凝胶微球的结构特征和药物释放行为。系统地研究了其对胰腺癌的光热治疗效果，并通过纵向体内MRI进一步追踪肿瘤消融过程，实现了材料命运和治疗结果的实时可视化。
章节片段
透明质酸甲基丙烯酸（HAMA）的合成
本研究中使用的试剂详见支持信息S1。透明质酸甲基丙烯酸（HAMA）的合成方法基于先前报道的方案，并进行了少量修改。简要来说，将10%（w/v）的透明质酸（HA）完全溶解在60°C的磷酸盐缓冲盐水（PBS）中，然后加入甲基丙烯酸（MA），并在50°C下搅拌1小时。通过将混合物稀释五倍来终止反应，随后进行纯化。
多功能微球的结构和药物释放
多功能水凝胶微球（MHS@SQGD）通过整合基于方酸的光热成分、多柔比星（DOX）用于化疗，以及钆离子（Gd3+作为MRI造影元素来构建（图1）。如图1所示，这一诊疗平台旨在实现治疗过程中胰腺肿瘤消退的非破坏性纵向MR监测。方酸材料是在我们之前的工作中合成的，随后被整合到微球中。
结论
总之，我们成功开发了一种集光热治疗、MRI可视化和化疗于一体的水凝胶微球平台。值得注意的是，这些微球既可以用作PTT的光热剂，也可以作为MRI可见的治疗系统。MHS@SQGD+DOX表现出高的光热转换效率（67.2%）和优异的光稳定性，显示出作为光热治疗的有效候选者的潜力。此外，在体外和体内实验中都证实了其效果。
CRediT作者贡献声明
钱进华：可视化、资源获取、调查、资金筹集、数据分析。 魏王：初稿撰写、验证、软件使用、概念构思。 李健：可视化、验证、资源管理。 夏先武：软件使用、调查、数据管理。 王斌辉：撰写与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法学设计。 刘赤波：撰写与编辑、可视化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了台州市社会发展科学技术计划（2021年第一批，编号21ywa38）的支持。
