预防乳腺癌术后复发和转移的分级结构超细纤维装置

乳腺癌是女性中最流行的癌症,占2019年新诊断癌症的30%。手术切除是治疗原发性乳腺肿瘤的标准临床策略。尽管有手术切除的优势,但由于术后复发和转移的发生率很高,因此乳腺癌患者在手术治疗后的长期预后仍然不能令人满意。

显微残留病(MRD),如不能在术中消除的残留肿瘤细胞或微肿瘤,是术后复发的直接原因。此外,肿瘤细胞的固有侵袭性导致残留的微肿瘤向周围组织的侵袭,并导致肿瘤细胞向特定器官和远处转移的迁移。为了减少由复发和转移引起的不良预后,当前的标准临床实践是对手术后实施辅助化疗。术后辅助化疗在抑制肿瘤复发中起积极作用,但由于伴随的并发症和副作用,尚无明确的生存获益。因此,如何减少辅助化疗的副作用,改善因肿瘤复发转移引起的患者预后不良是当务之急。

日前,西南交通大学的杨光和周绍兵教授团队开发了一种可植入的分级结构超细纤维装置,该装置具有按时间编程的药物释放功能,可用于乳腺癌的局部术后辅助化疗。

该结构是通过同轴电纺技术通过在纤维基质内部形成周期性排列的腔室而获得的。这些小室中的盐酸阿霉素被迅速释放,杀死残留的肿瘤细胞以防止肿瘤复发。而纤维基质中的基质金属蛋白酶-2(MMP-2)抑制剂双硫仑持续释放,从而抑制肿瘤的侵袭以防止其转移。

减少外科手术肿瘤后,将这种纤维装置植入荷瘤小鼠体内,可防止复发和转移,从而显示出优异的治疗效果。相关工作以“A Hierarchical Structured Ultrafine Fiber Device for Preventing Postoperative Recurrence and Metastasis of Breast Cancer”为题发表在《Adv. Funct. Mater》上。

西南交大《AFM》:预防乳腺癌术后复发和转移的分级结构超细纤维装置

纤维装置的制造和抑制肿瘤的复发和转移

研究人员通过同轴电纺技术制备装有DOX·HCl和DSF的可植入分层结构超细纤维装置。通过将纤维装置植入肿瘤切除床进行术后辅助化疗。注射给药用作对照。从纤维装置中迅速释放出DOX·HCl,消除了残留的肿瘤细胞,防止了肿瘤的局部复发;持续释放的DSF阻止了肿瘤细胞侵入周围组织,从而抑制了转移的发生。

西南交大《AFM》:预防乳腺癌术后复发和转移的分级结构超细纤维装置
纤维装置的制造和抑制肿瘤的复发和转移

 

纤维的形态表征

通过同轴电纺丝法获得了装载DOX·HCl / DSF的分层结构化纤维。可以通过在电纺丝过程中通过蒸发PEG溶液中的水来形成腔室的空腔。腔室容积足够大以用于封装药物,并且可以通过更改PEG Mw轻松调节腔室容积和间距。纤维形态的这些变化可归因于电纺丝过程中不同PEG溶液的粘度和电导率的影响。当PEG溶液的进料体积恒定时,腔室的总体积等于PEG溶液的进料体积。相应地,随着腔室数量的增加,随着腔室数量的减少,在单根光纤上可获得更大的腔室间距。

西南交大《AFM》:预防乳腺癌术后复发和转移的分级结构超细纤维装置
纤维的形态表征

 

药物释放行为

随后,研究了DOX·HCl和DSF从这些纤维装置中的释放行为。可以发现,PEG Mw的变化和腔室的大小有效地影响了封装在腔室中的DOX·HCl的释放速率。

西南交大《AFM》:预防乳腺癌术后复发和转移的分级结构超细纤维装置
药物释放行为

 

体外抗肿瘤作用和抑制肿瘤细胞再生

通过活/死染色和Alamar-Blue法检测了纤维设备的抗肿瘤作用进行了评估。与对照组相比,细胞密度降低。孵育7天后,PEG-200,PEG-400和PEG-1000组的细胞显示收缩状态。而抑制效果的差异可归因于DOX·HCl从介质中的纤维装置释放的不同行为进一步评估了这些纤维装置对乳腺癌细胞再生和复发的抑制作用。荧光显微镜图像显示出细胞与PEG-1000组共同孵育变为干缩状态,观察到大量死细胞,而其他组细胞则显示出更高的密度和扩散形态。这些结果表明,PEG-1000组中的纤维装置对肿瘤细胞的再生和复发具有显着的抑制作用。

西南交大《AFM》:预防乳腺癌术后复发和转移的分级结构超细纤维装置
体外抗肿瘤作用

 

抑制肿瘤细胞侵袭

在恶性肿瘤的发展过程中,肿瘤细胞向周围ECM的局部侵袭是转移灶形成的重要原因。[ 9 ]作为肿瘤细胞分泌的一种细胞外蛋白酶,MMP-2通过消化ECM中的II型胶原成分直接参与了侵袭过程。因此,研究了载有双重药物的纤维装置对肿瘤细胞侵袭的抑制作用及其对MMP-2活性的抑制作用。对照组的肿瘤细胞侵袭范围广,细胞呈圆柱状向下出现,说明未经干预的肿瘤细胞对胶原成分具有很强的侵袭能力。但是,PEG-1000组的细胞浸润范围和深度最明显减少,并且在加入释放的纤维装置的介质后,细胞呈倒锥状,表明细胞的浸润得到了有效抑制。

西南交大《AFM》:预防乳腺癌术后复发和转移的分级结构超细纤维装置
抑制肿瘤侵袭

 

体内监测肿瘤术后的复发和转移

研究人员使用Maestro体内成像系统监测纤维装置预防肿瘤复发和转移的能力,并且在体内进一步评估了可植入纤维装置的抗肿瘤复发和转移抑制作用。第42天的复发肿瘤体积分别为≈2571mm3(盐水组),≈2196 mm3(静脉内注射组)和≈1996mm3(肿瘤内注射组),表明对这些治疗可以忽略肿瘤的复发。然而,局部可植入纤维装置的复发性肿瘤体积要小得多。尤其是,PEG-1000组在第42天的肿瘤体积约为≈25 mm3,比注射给药的肿瘤体积约小80倍。TUNEL染色图像还显示,在PEG-1000组中,更多的凋亡肿瘤细胞在脱氧核糖核苷酸末端转移酶的作用下被染色,表明肿瘤细胞中发生了DNA的内源性断裂。在肿瘤切片的Ki67染色图像中,还可以找到PEG-1000组中最低的Ki67阳性率,这表明大多数肿瘤细胞处于非增殖状态。

西南交大《AFM》:预防乳腺癌术后复发和转移的分级结构超细纤维装置
体内抗肿瘤复发和转移抑制分析

 

西南交大《AFM》:预防乳腺癌术后复发和转移的分级结构超细纤维装置
体内抗复发和转移作用

 

总结

研究人员成功地开发了可植入的分层结构化纤维设备。与传统的可植入设备不同,该设备可以通过减少肿瘤原发性切除后癌症复发和转移的风险,通过定时程序化的双重药物释放显着提高手术干预的有效性。约60.0%的4T1荷瘤小鼠已完全治愈,复发肿瘤抑制率极高,达到90.3%。此外,肿瘤转移得到了有效抑制,在肺部H&E染色的切片中未发现肺部肿瘤。结果,对于这些处理的小鼠,在第42天达到了100%的存活率。通过II型胶原蛋白免疫荧光分析进行的机理研究表明,双重药物的程序性释放在很大程度上抑制了MMP-2的活性,阻止了肿瘤细胞消化ECM中的II型胶原蛋白,从而抑制了肿瘤的侵袭和转移。因此,具有时间程序性药物释放的这种可植入纤维装置将是有望改善术后辅助化学疗法的效率和患者预后不良的有前途的递送平台。

 

全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202004851

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