Research|调控并利用肿瘤内微生物群的口服水凝胶增强结直肠癌的治疗—南方医科大学邹兆伟、张超、于梦团队合作新进展

一 研 究 背 景

肠道微生物群通常被称为“被遗忘的器官”，其共生平衡在宿主健康中发挥着重要作用。大量临床数据表明，多种多样的肠道细菌群可通过粘膜系统进入血液循环，在各类肿瘤组织中积累和定植，形成“瘤内微生物群”，并随着肿瘤的进展而增殖。肠道及肿瘤内微生物群通过调节致癌信号通路、促进突变、改变化疗药物的新陈代谢以及影响宿主免疫反应对肿瘤的发生、发展和治疗反应具有深远的影响。鉴于微生物群与癌症之间错综复杂的联系，开发基于菌群调控的抗肿瘤策略，特别是对于结直肠癌这类易受微生物侵袭的实体瘤治疗，具有重要意义。

二 研 究 进 展

本研究开发了一种具有结肠靶向和结肠滞留特性的口服菊粉基水凝胶（Oxa@HMI），该水凝胶含有空心二氧化锰纳米载体（HM），并装载化疗药物奥沙利铂（Oxa）。菊粉凝胶基质（Inulin）通过增强生物粘附和延长结肠滞留时间，促进活性成分在病变部位的积累和浓度。这促进了结肠中有益菌分泌的菊粉酶对Oxa@HMI中菊粉的特异性降解，从而导致短链脂肪酸（SCFAs）的产生。反过来，SCFAs又通过调节有害细菌和有益细菌之间的平衡，启动了一系列抗肿瘤免疫反应。另一方面，菊糖凝胶基质的降解促进了内部纳米药物Oxa@HM在结直肠癌部位的靶向暴露，在酸性肿瘤微环境（TME）中降解产生Mn²⁺和O₂，并释放出负载的Oxa。生成的Mn²⁺和O₂通过产生ROS进一步加剧了TME中的氧化应激水平，从而实现显著的肿瘤生长抑制（图1）。

图1  Oxa@HMI水凝胶通过调节微生物群和免疫微环境抑制结直肠肿瘤的机制

首先对合成的Oxa@HMI纳米粒子进行表征，并对其性能分别进行了体外验证。结果显示，Oxa@HMI纳米粒子能够在模拟胃肠液中保持良好的结构稳定性，从而将完整的纳米颗粒输送到结直肠肿瘤部位，随后，表面的菊粉保护层将被TME中有益菌分泌的菊粉酶降解，从而使内部的纳米药物Oxa@HM充分暴露发挥抗肿瘤作用。与菊粉酶共孵育后，Oxa@HMI纳米粒子表现出优异的酸响应降解性能且在溶液水平上展现出良好的产生ROS和O₂的能力（图2A-H）。

随后，对Oxa@HMI纳米粒子的肿瘤细胞内生物功能进行评估。结果显示，与菊粉酶共孵育后，Oxa@HMI纳米粒子在肿瘤细胞中也能够高效地产生O₂和ROS，这有助于提高Oxa的化疗疗效。同时，Oxa@HMI纳米粒子（与菊粉酶共孵育）对肿瘤细胞具有明显的靶向杀伤性并显著促进肿瘤细胞的凋亡（图2I-L）。

图2  Oxa@HMI纳米粒子的表征及其体外活性和肿瘤细胞内生物功能的评价

接下来，为方便口服和胃肠道给药，通过调整菊粉在Oxa@HMI纳米粒子上的修饰比例，构建了Oxa@HMI水凝胶，以获得对肠粘膜层更好的粘附性和延长肠道滞留时间（图3A-C）。进一步对Oxa@HMI水凝胶在原位结直肠癌小鼠体内的生物分布进行评估。结果显示，相较于其他组，Oxa@HMI水凝胶由于凝胶的粘附性，能够吸附在肠粘膜上，进而延长纳米药物在结肠中的滞留时间，从而增加纳米药物在结肠肿瘤中的蓄积和浓度（图3D-H）。

图3  Oxa@HMI水凝胶的构建及其在原位结直肠癌小鼠体内的生物分布

紧接着，分别在原位结直肠癌小鼠和皮下结直肠癌小鼠中验证了Oxa@HMI水凝胶的体内抗肿瘤效果。结果显示，具有结肠靶向和结肠滞留特性的Oxa@HMI水凝胶通过干预肿瘤组织内的微生物环境，提高化疗效率，激活抗肿瘤免疫应答，在两种小鼠模型中均表现出良好的抗肿瘤疗效（图4）。

图4  Oxa@HMI水凝胶在原位结直肠癌小鼠和皮下结直肠癌小鼠体内的抗肿瘤效果 

下一步，通过高通量16S rRNA基因测序分别评估了原位结直肠癌小鼠肠道和肿瘤组织中微生物群的变化。结果显示，在原位结直肠癌小鼠肠道和肿瘤组织中，口服Oxa@HMI水凝胶显著增加了产SCFAs的有益菌的相对丰度，而显著降低了促进肿瘤发展的有害菌的相对丰度（图5）。

图5  Oxa@HMI水凝胶对原位结直肠癌小鼠肠道及肿瘤内菌群的调节作用

最后，通过流式细胞术分析了原位结直肠癌小鼠肿瘤内的免疫细胞浸润水平。结果显示，Oxa@HMI水凝胶的微生物代谢产物SCFAs通过与肠道中的GPR43结合并激活CD8⁺ T细胞中的HDACs/ID2/IL-12受体途径，引发一系列抗肿瘤免疫反应：显著增加肿瘤组织中CD8⁺、IFN-_γ⁺CD8⁺ 和CD4⁺ T细胞的浸润水平，有效诱导DCs成熟，显著促进肿瘤相关M2巨噬细胞极化为促炎性M1巨噬细胞，显著降低免疫抑制性MDSCs的频率（图6）。

图6  Oxa@HMI水凝胶对原位结直肠癌小鼠肿瘤免疫微环境的调节作用

三 未 来 展 望

在这项研究中，首次建立了一种微生物群靶向药物递送系统Oxa@HMI水凝胶，该系统在结直肠癌靶向和结肠滞留方面表现出高效率。Oxa@HMI水凝胶通过干预肿瘤组织内的微生物环境，提高化疗效率，激活抗肿瘤免疫反应，在原位结直肠癌小鼠和皮下结直肠癌小鼠体内均表现出优异的抗肿瘤效果，并且展现出卓越的生物安全性，在未来的临床转化和治疗易受微生物侵袭的结直肠癌方面具有很大的潜力。

四 作 者 简 介

邹兆伟，医学博士，南方医科大学珠江医院副主任医师，硕士生导师。中国研究型医院学会数字医学临床外科专业委员会常务委员，广东省医师协会胃肠外科医师分会常委，广东省基层医药协会胃肠病专委会副主任委员，广东省医学会老年保健协会胃肠微创委员会常委兼青委会主任委员，广东省肝脏病学会肝衰竭及人工肝专业委员会委员，广东省医师协会结直肠外科医师分会青年委员。主要从事胃肠道肿瘤、脓毒血症的基础与临床研究。近5年来，以第一或通讯作者（含并列）在Research、Journal of Hepatology、Advanced Materials等高水平学术期刊发表论文。主持国自然基金1项，省级课题2项，参与多项省、市级科研课题。

于梦，药剂学博士，南方医科大学副教授，硕士生导师。在天津大学取得博士学位，法国巴黎高等师范学校/法国国家科学研究中心访问学者。近年来围绕智能响应药物递送体系在病灶微环境调控与治疗方面的应用，开展了一系列工作。以第一/通讯作者在ACS Nano、Nano Today、Advanced Science、Bioactive Materials、Nano Letters、Biomaterials、Journal of Controlled Release、Acta Pharmaceutica Sinica B等高水平学术期刊上发表SCI收录论文30余篇，其中IF>10论文20余篇，申请和授权国内专利7项，全部论文近五年被国内外同行他引2000次以上，H因子为28。部分研究成果受到Chem Soc Rev等顶级综述期刊的重点介绍和高度评价。

张超，南方医科大学珠江医院转化医学研究中心，副教授、硕士生导师，神经外科主任助理。本科及博士毕业于南京大学现代工程与应用科学学院；随后于上海交通大学医学院樊春海院士团队从事博士研究工作。于2021年12月1日至今以南方医科大学高层次人才（第四层次人才）全职聘任计划“优秀青年学者”引进加入南方医科大学珠江医院，并于2023年5月挂职神经外科担任主任助理。目前已在Advanced Materials、ACS Nano、 Advanced Functional Materials、Nano Letters、Biomaterials等国际主流期刊发表论文20余篇，其中第一作者或通讯作者17篇，10分以上10篇，他引千余次。先后主持国家自然科学基金青年和面上项目以及博士后创新激励计划、上海市超级博士后激励计划等国家级及省部级科研项目共11项。主要研究方向：1）纳米材料的合成与载药体系的构建；2）肿瘤微环境的监测与调控；3）荧光、CT、MR、光声、PET等小动物活体成像探针的开发；4）光热、光动力、放疗、免疫治疗等治疗手段在肿瘤中的应用；5）DNA框架核酸的光控组装及生物应用。

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