局部递药水凝胶用于肿瘤术后治疗的研究进展

李思明，张强，代文兵

（北京大学药学院 分子药剂学与新释药系统北京市重点实验室，北京 100191）

肿瘤是当今致死率最高的疾病之一，临床治疗效果和预后生存期一直不够理想。国际癌症研究机构（IARC）提供的数据显示，2018年约新增肿瘤病例1 700万例和肿瘤相关死亡病例950万例[1]。目前临床主要治疗方法包括手术、化疗、放射疗法和免疫疗法，其中，外科手术切除依然是针对大多数早期和中期实体肿瘤的首选治疗方案[2]。然而，即便是扩大切除范围的根治性手术，也难以达到生物学上的根治，术后残留的肿瘤细胞仍可能存在于手术部位边缘甚至进入体循环中，这将增加肿瘤复发和转移的风险[3]。在术后辅以全身化疗和（或）放疗已经成功应用于不同类型肿瘤患者[4]。然而，术后全身给药后，能到达肿瘤切除部位的药物很少，疗效差，而高的给药剂量还会带来明显的全身副作用；另外，肿瘤切除术后患者较虚弱，一般需术后2周或更长时间才能进行化疗或放疗，辅助治疗的延时性可能导致错过杀灭残余肿瘤细胞的最佳时期[5-6]。

近年来，越来越多的国内外科研工作者开始致力于供肿瘤切除术后使用的局部给药系统的研发。相对于全身给药方式，局部用制剂具有诸多优势[7-8]：1）提高了病灶局部的药物浓度，更有效地清除残留的肿瘤细胞；2）采用一定的缓释制剂技术可以使药物在局部发挥长效作用，减少给药次数，提高患者顺应性；3）大大降低抗肿瘤药物进入血液循环的含量，减轻化疗药物全身毒性；4）能够不经过生物屏障直达病患部位，对于某些部位，如脑部肿瘤，具有特别的优势；5）填补了手术与全身化疗之间的空白期，在残余肿瘤细胞未转移之前将其消灭，大大改善了肿瘤治疗效果。现已开发出了多种制剂，例如微球、纳米粒、薄膜纤维、水凝胶等，Bu等[9]已对其进行了详细的归纳总结。

水凝胶一般由天然或合成聚合物通过共价交联和非共价作用形成的具有溶胀特性的三维网状结构。早在20世纪60年代，Wichterle和Lim[10]通过聚合2-羟乙基甲基丙烯酸甲酯成功制备了一种生物用途的疏水凝胶。近20年来，天然水凝胶逐渐被合成水凝胶所取代。合成聚合物通常具有明确的结构，可以被修饰以产生特定的降解性和功能性，因此合成水凝胶具有更长的使用寿命、更高的吸水能力和更高的凝胶强度，即使在温度剧烈波动的情况下依然能够保持稳定。

水凝胶的三维聚合物网络能够吸收大量的水或生物流体。当形成水凝胶结构的聚合物中具有大量亲水基团时，如-OH、-CONH、-COOH和-SO3H[11]，水凝胶表现出高度亲水性，结合周围水环境的性质，凝胶可以在不同程度上被水合，有的甚至可以结合超过自身90%质量的水[12]。相反，具有疏水特性的聚合物网络，例如聚乳酸（poly lactic acid，PLA）或聚乙丙交酯（poly lactide-coglycolide，PLGA），则吸水能力有限，一般均低于凝胶自重的10%。虽然水含量决定了其各自独特的理化性质，但总体而言，具有高含水量和低表面张力性质的水凝胶比其他任何种类的合成生物材料都表现出更好的生物相容性和生物可降解性[13]。

水凝胶可以通过多种经典化学方式合成：包括一步反应，例如多官能单体的聚合和平行交联，具有反应性基团的聚合物分子的合成及其交联等多步过程，以及使聚合物与合适的交联剂反应等[14]。经科学家设计并合成的聚合物水凝胶往往还具有响应外界化学和生物学刺激的特性[15]。不断发展的水凝胶制备技术促进了生物医学领域的巨大进步，越来越多的研究者不仅在诊断成像、组织工程等方面[16]进行了探索应用，而且也广泛地开展了一系列以水凝胶作为药物递送系统的研究。

聚合物交联时形成的孔隙使得无论是亲水性药物还是疏水性药物都可以高效稳定地装载其中。当聚合物水凝胶连接了多种配体被化学修饰后，还可以用于主动靶向的药物递送[17]。根据交联网格在溶胀时的尺寸大小控制了不同粒度制剂的释放速度，降低了药物在被递送的过程中过早泄漏的风险，这也是水凝胶十分突出的优点。简单有效的装载及载药后的物理稳定性使得水凝胶同样适用于基因和蛋白质的递送，它们与生物大分子形成复合物，不仅简化了递送方式，还使蛋白质能够保持正确的形态，确保了其生物活性。在给药方式上，水凝胶不再局限于传统的口服和静脉注射的全身给药方式，还可以通过黏膜、腔道、经皮等局部给药方式以起到局部治疗甚至是全身治疗的作用[18]。

当用作肿瘤术后的局部治疗手段时，水凝胶不仅具有局部给药系统的一般优势，还具有以下多方面的独特优势[19-21]：1）除了传统水凝胶的给药形式（如涂抹或植入），还针对肿瘤术后的特点开发出新的原位形成凝胶（如注射用水凝胶和喷雾型水凝胶），简化药物递送的同时也使操作更加便捷安全；2）多种智能高分子材料制成的水凝胶可以响应不同内部刺激（如酸碱度、温度、离子强度等）和外部条件（如光、电场等），实现可控释药；3）除了递送药物的基本功能，该类水凝胶还有助于术后组织重建，例如具有适当机械强度的水凝胶可填补术后空腔，具有流变性能的水凝胶可以覆盖至不平整创面的任何死角；4）可以包载多种类型的治疗剂，将不同治疗方法结合为一体，尤其是当包载免疫治疗剂时不仅在局部起效，还可以发挥全身免疫的作用，增强抗复发抗转移的功效。

本文总结了近5年发表的相关研究成果（见表1），发现用于肿瘤术后的水凝胶主要类型有3种：传统植入型、原位成胶的注射用型和原位成胶的喷雾型（见图1），其中，考虑到肿瘤切除术后的环境特点和用药局限，原位成胶的水凝胶最具应用前景，本文将对相关代表性研究做重点描述。

表1 近5年发表的用于肿瘤术后治疗局部递药水凝胶的研究成果Table 1 Research publications in the past 5 years of hydrogel-based local drug delivery for postoperative treatment of tumor

1 传统植入型凝胶

传统植入型凝胶在体外已被制备成具有一定的形状和体积的制剂，使用时整个固体凝胶经植入放置在创面上，然后闭合伤口即可。这种植入型凝胶多为“支架型”结构水凝胶，特点之一在于具有更好的机械强度，被植入后可有效地支撑术后空腔，有助于组织重建，尤其适用于乳腺癌术后。Wu等[22]构建了RADA16-I肽支架型水凝胶，体内实验表明，支架在皮下植入后形成圆形团块，轻轻按压后仍保持其形状，满足了女性在乳腺切除后的塑形需求。植入型凝胶的另一特点在于凝胶的基质材料更加稳定和安全。哈佛大学的Park等[23]使用透明质酸制备的水凝胶支架既可以达到缓慢释放药物的效果，又对人体无害。为了验证它的稳定性和生物相容性，将水凝胶支架进行荧光标记后，分别放置在乳腺癌模型小鼠的肿瘤切除部位以及正常小鼠的皮下部位，发现它可在5周内开始降解，12周内完全吸收，植入后12 h和15周进行组织病理学分析，结果表明，植入部位组织无异常，提示其具有良好的生物可降解性和生物安全性。

为了满足不同部位水凝胶植入的需求，3D打印技术也被用于制备水凝胶。例如Cho等[24]运用了3D打印中熔融沉积技术精密构建直径16 mm、厚度2 mm，携带紫杉醇和雷帕霉素的凝胶盘，作为卵巢癌术后根除残留肿瘤组织和防止腹膜粘连的局部用药。Luo等[25]以海藻酸盐-多巴胺偶联物为主体材料经3D打印得到的支架凝胶具有良好的柔韧性，在弯曲、滚动和拉伸的连续过程之后，都可以恢复到其原始形状。而且支架内含孔径大于1 mm且孔隙率约为90%的大孔帮助血管生成，对于长期的大体积乳房重建有最佳效果。

然而传统的植入型凝胶用于肿瘤术后的局部治疗时存在相当多的局限性，最大的问题就是难以完美匹配术后的创面。创面一旦不够平整、光滑，填充固体凝胶后，依然存在着微小空腔和死角，不能实现完全覆盖给药。因此，植入型凝胶制剂最大的优势在于支撑与塑形，但其用于完全清除残留的肿瘤细胞，进而抑制肿瘤的复发与转移时具有明显不足。

2 原位形成水凝胶

原位形成水凝胶（in situ forming hydrogels）又称即型水凝胶、在位水凝胶[51]，是指将其以溶液或半固体状态给药，当接触用药部位的机体生理条件或受到其他环境因素的影响后，即发生相转变，形成半固体凝胶状态的制剂。“溶胶-凝胶”的转变过程也是原位形成水凝胶的核心，温度、酸碱度、光、电、压力等都可以是触发转变的因素[52]，这取决于所用基质材料的敏感性。在递送药物方面，它比传统水凝胶有着更大的优势[53-54]：1）液体形式给药更完美地全覆盖创面，与作用部位紧密接触；2）根据环境响应成胶，成胶后具有一定黏着性，长时间释药；3）给药方便且剂量可控。因此，原位形成水凝胶是目前研究最多，应用最广泛的肿瘤术后局部使用的凝胶，其中注射用和喷雾型2种给药方式最具代表性。

2.1 注射用的原位凝胶

注射用的原位凝胶最大的特点在于给药装置的简单：借助常见的医用注射器即可完成整个给药的过程，在乳腺肿瘤、腹腔肿瘤、皮肤肿瘤、脑肿瘤等术后均可使用。从近年发表的文献中可以发现，研究人员不仅结合了原位形成水凝胶和注射用的双重优势，还更多地考虑到不同肿瘤术后的环境特点，开发了具有特定优势的术后注射用的水凝胶。

一些肿瘤术后易形成形状不规则的空腔和不平整的创面，为了满足术后给药尽可能全覆盖的目的，Wu等[26]以α-环糊精和聚乙二醇化Fe3O4为主要基质材料制备了自组装的超分子磁性水凝胶（magnetic supramolecular hydrogel，MSH），实现了剪切稀化（shear-thinning）和热可逆的“溶胶-凝胶”转变的性能，赋予了凝胶的可注射性。凝胶中除了聚乙二醇化Fe3O4作为热疗剂，还包载了小分子化疗药阿霉素，共同预防乳腺癌小鼠模型中的肿瘤复发。当MSH被均匀地注射到术后伤口上并且暴露于交流磁场时，流动的MSH可以与形状不规则的术腔无死角地完美匹配。“溶胶-凝胶”转变过程中磁性纳米粒子介导的感应热不仅触发双层包封的阿霉素释放，还提供了热诱导细胞损伤的作用。类似地，Gao等[27]开发的磁性水凝胶不仅将化疗和热疗融为一体，还具有一定自我修复的保形能力，包载的阿霉素可以响应pH值而释放，适用于乳腺肿瘤术后的局部抗复发。

在脑部肿瘤的治疗手段中，大规模的彻底手术切除通常是不可实现的，因为往往都会波及到肿瘤主体之外的脑实质、脑干、间脑和控制语言、运动和感觉的新皮质区域[28]，而且浸润性肿瘤细胞总是保留在周围的脑实质中，导致晚期肿瘤复发。美国FDA批准的Gliadel®是一种载有卡莫司汀的聚合物薄片，作为脑肿瘤治疗中的局部药物递送，但释药时间短和局部副作用是其在应用时的重大局限[29]。由此可见，术后的局部给药需要兼顾杀灭肿瘤细胞和保护组织的双重平衡。Zhao等[30]开发了可光聚合的PEG-二甲基丙烯酸酯水凝胶用来递送紫杉醇PLGA纳米粒，用其治疗胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBM）。该凝胶在注射后经400 nm的光照射即可聚合、立即形成填充整个空腔的固体凝胶。适宜的机械强度使其在脑内具有良好的相容性，注射4个月后，小鼠的耐受性良好。以GBM原位荷瘤小鼠为模型的药效学研究中，经肿瘤切除后给予载药凝胶治疗，超过50%的小鼠的生存期得以延长。

95%的腹腔肿瘤患者在腹腔肿瘤术后出现腹膜粘连的现象，引起一系列并发症[31]。所以，在设计用于腹腔肿瘤术后的注射用水凝胶时，重点要考察的就是凝胶的抗粘连效果。Lee等[55]用透明质酸和羧甲基纤维素钠交联制备了水凝胶用于肠癌术后，在（Sprague-Dawley）大鼠体内进行抗粘连效果评分，结果显示高黏度的水凝胶在作用部位的保留时间更长，起到更好的防止腹内粘连的效果，也有助于内载的化疗药物奥沙利铂释放。在另一项大鼠腹膜内给药后的体内药动学研究中[56]，包载奥沙利铂PLGA微粒的水凝胶给药组显示出比单独给予奥沙利铂溶液组更低的血药峰浓度、更长的滞留时间和更好的生物利用度。除了防粘连，腹腔内注射用原位成胶系统还需减少和腹腔内其余正常组织的接触，避免损伤。Chen等[57]将阿霉素装入N-异丙基丙烯酰胺（HACPN）热敏水凝胶中，不仅考察其抗肿瘤效果，更着重考察其对正常组织的影响。体外表征实验的结果证明低温时水凝胶以自由流动的溶液形式存在，当升至37℃时，即可发生“溶胶-凝胶”转变。体内实验的结果证明了当凝胶被注射进腹腔后可快速成胶，未曾溢出，不会损伤正常组织。

注射用的原位凝胶不仅在实验室开展了广泛研究，而且已有进入临床试验的产品。OncoGelTM[58-59]是Micromed公司基于ReGel®这种温度敏感型的生物可降解凝胶材料开发了一种局部用紫杉醇制剂，具有靶向缓释的特点。ReGel®是PLGA-PEGPLGA的商品名，是一种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温度敏感的特点，在较低的温度可以保持液体流动状态，在2 ～15℃可以转化为凝胶[60]，并且对难溶性药物具有一定的增溶效果，因此被广泛用于药物的局部递送，可用于颅内、眼内、皮下、肌肉等部位[61-62]。在对OncoGelTM的非临床药效学考察中，Gok等[63]选用 CRL-1666 大鼠脊髓肿瘤转移模型设计了3个实验：1）OncoGelTM作为手术切除后辅助化疗用药；2）OncoGelTM与放疗相结合用于肿瘤手术切除后；3）OncoGelTM与放疗联合作为非手术的治疗方案。抗肿瘤药效以BBB评分（Basson Beattie&Bresnahan locomotor rating scale，BBB scale）和动物生存率作为定量考察指标。实验结果表明，在实验1中，2项指标 OncoGelTM+手术组均优于单一手术组；在实验2中，OncoGelTM+放疗+手术组的BBB评分和生存率优于手术+放疗组；在实验3中，OncoGelTM+放疗组效果优于单独放疗组。目前OncoGelTM在美国已经进行了2项临床试验[64-65]，目前都已经完成并给出结论。2项临床试验均被设计成剂量爬坡试验，试图探究OncoGelTM在人体内的安全性和耐受性以及初步药效学。但是，临床试验中OncoGelTM只侧重了局部给药形式而不是强调用于术后，且因为一些其他原因没有继续开展，所以在此不做详细说明。

2.2 喷雾型原位凝胶

喷雾型凝胶在使用时需借助小型喷雾器，喷洒在创面上即可形成一层厚度均一的薄膜凝胶，特别适用于创面较大的肿瘤切除术后，既能全面覆盖伤口起到止血和保护组织的功效，又能均匀释药且易降解。

Shao等[32]将黑磷纳米片包载于聚丙交酯-PEG类生物相容可降解的热敏水凝胶中，构建出一种用于肿瘤术后的新型光热光动力治疗系统。黑磷纳米片在近红外条件下具有高吸收和高光热转化的效率，均匀分布在热敏基质材料里时可通过近红外诱导完成“溶胶-凝胶”的快速转变，而且在体内生理环境中最终可以降解为无害的磷酸盐。在荷瘤裸鼠的手术创面上喷涂溶胶，用808 nm的近红外辐射，液体快速凝胶化，在伤口上形成凝胶化膜。持续辐射30 s，凝胶温度迅速升至58.5℃，充分达到了光热杀灭肿瘤细胞的目的，且抗菌防感染。

Chen等[33]开发了一种喷雾型免疫治疗纤维蛋白凝胶，用于抑制手术后局部肿瘤复发和远端肿瘤的发展。纤维蛋白凝胶是国内外已批准的材料，由纤维蛋白原和凝血酶相互作用形成，具有出色的生物相容性。纤维蛋白原和凝血酶分别贮存在一个双储液喷雾器，使用时喷雾溶液中二者一经混合，会迅速在伤口处形成凝胶状的纤维蛋白，有助于止血并促进伤口愈合。与此同时，喷雾里的“aCD47@CaCO3”纳米颗粒也会一步到位凝固在凝胶内，直接作用于伤口。CaCO3纳米颗粒充当免疫调节疗法的释药库以及质子清除剂，它在呈现微酸性的伤口及肿瘤微环境里被逐渐溶解，释放其中的抗CD47药物；当伤口及潜在肿瘤的弱酸环境被碳酸钙“中和”后，还可以增强巨噬细胞的活性，加强它们清除体内异物的能力。在接受了手术切除的晚期黑色素瘤小鼠中，喷雾凝胶治疗组的小鼠有半数未被再检测到残余的肿瘤细胞，术后生存时间至少达到60 d。在肿瘤转移的模型小鼠中，手术局部使用喷雾凝胶后，远端的肿瘤生长也得到了抑制，说明免疫系统中的T细胞也会被这种治疗性凝胶激活，攻击潜在的、转移的肿瘤细胞，发挥全身的治疗作用。

3 总结与展望

水凝胶制剂作为肿瘤术后局部递药系统已成为近年来抗肿瘤药物递送研究的热门方向，研究者们将水凝胶自身特点优势与临床需求结合起来，开发出了可植入的水凝胶、具有剪切变稀性质的水凝胶以及通过注射或喷雾等方式给药的原位形成水凝胶。研究者们还通过对基质材料的设计来赋予凝胶多种理化性质以适用不同术后环境，通过对包载治疗剂的搭配组合实现了化疗、光热治疗、免疫治疗等多种途径相结合的抗肿瘤目的，尤其是一些包载肿瘤疫苗的水凝胶不仅可以发挥局部防复发的作用，还能激活免疫系统，达到全身抗转移的效果，这可能是未来应用的一个重要趋势。此外一些先进制备技术和精密装置的引入，也有助于简化和规范局部抗肿瘤的凝胶制剂的制备与使用。

然而，用于肿瘤术后治疗局部递药水凝胶的研究仍有不足之处，比如这些水凝胶虽然在各种啮齿类动物肿瘤模型上得到了抗肿瘤有效性的验证，在考察体内药效时多用皮下异位肿瘤模型，术后给药操作简单，但是异位肿瘤模型的主要局限性在于缺乏肿瘤特异性微环境，未来的研究发展中还需在原位肿瘤模型中进一步试验。而且现在少有对此类凝胶制剂在体内的药动学相关研究，也缺乏长期安全性的跟踪报道。

另外，用于肿瘤术后局部递药的水凝胶的转化和应用前景同样充满挑战。首先，结合多种治疗策略、包载多种治疗剂的水凝胶递送系统虽然发挥了很好的抗复发和抗转移效果，但是其体系设计过于复杂，对于产品的放大制备以及质量控制都是巨大的挑战。将简单的水凝胶制剂和已上市的药物制剂组合使用可能更具应用前景。其次，各种智能响应型水凝胶虽然显示出局部释药的可控性，但是在单位时间内药物的释放量仍难以精确控制，尤其是用于术后的伤口，对药物释放行为的精确性的要求更高，例如，应避免过多的药物突释而影响伤口愈合。因此，如何改善智能响应型水凝胶的材料性能，提升药物释放量及释放速率的精确性，是转化研究中需重点解决的问题之一。最后，提高水凝胶在临床使用的便利性也是设计中需要考虑的，例如，有些注射用原位凝胶在针头内过早成胶，应设计在更精确温度下胶化的胶凝剂，将有助于降低临床风险。

总之，局部递药的水凝胶在肿瘤术后治疗方面虽然取得了很大进展，但从肿瘤治疗药物临床转化的角度上讲，局部用水凝胶还不能完全替代现有的辅助治疗手段。目前，将其作为现有术后辅助治疗手段的补充可能更具有前景。