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  近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王育才/蔣為團隊在《Nature Biomedical Engineering》在線發(fā)表題為《Enhanced nanoparticle delivery across vascular basement membranes of tumours using nitric oxide》的研究論文。本工作聚焦于納米顆粒在實體瘤跨血管轉(zhuǎn)運過程中的關(guān)鍵障礙—腫瘤血管基底膜（Basement Membrane, BM）屏障，提出利用一氧化氮（NO）實現(xiàn)基底膜屏障可控降解與重塑，從而提升納米顆粒在腫瘤組織內(nèi)的遞送效率。

  盡管納米藥物在抗腫瘤治療中展現(xiàn)出巨大潛力，臨床數(shù)據(jù)顯示，最終抵達腫瘤基質(zhì)及腫瘤細胞的藥物比例仍不足1%。腫瘤血管結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，長期被認為是限制藥物遞送效率的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)增強滲透與滯留（EPR）效應(yīng)理論提出，納米顆�？赏ㄟ^異常通透的腫瘤血管內(nèi)皮滲透進入腫瘤組織，并因淋巴回流障礙而滯留。然而，該理論未能充分解釋納米顆�？缪苓f送效率低的現(xiàn)象。

  在前期研究中，本團隊發(fā)現(xiàn)腫瘤血管內(nèi)皮細胞外側(cè)存在連續(xù)、致密的基底膜結(jié)構(gòu)，其血管覆蓋率高達92%，構(gòu)成腫瘤血管“第二重物理屏障”。這一結(jié)構(gòu)顯著阻礙納米顆粒進一步滲透至腫瘤基質(zhì)，導(dǎo)致其滯留于血管周圍形成“血池”現(xiàn)象，從而嚴重限制藥物遞送和治療效果（Wang, Y. et al Nature Nanotechnology, 2024, 19, 95–105）。要實現(xiàn)高效的納米藥物腫瘤遞送，關(guān)鍵在于突破這一血管基底膜屏障，但該過程面臨三大挑戰(zhàn)：其一，基底膜位于內(nèi)皮外側(cè)，位置隱匿，納米顆粒需先跨過內(nèi)皮細胞方可精準定位；其二，基底膜呈高度交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，機械強度高，對常規(guī)治療手段具有抵抗性；其三，若過度破壞基底膜，可能誘發(fā)腫瘤轉(zhuǎn)移風(fēng)險，因此亟需發(fā)展一種精準、可控、可逆的降解策略。

  在血管新生過程中，基底膜的降解與重塑是驅(qū)動內(nèi)皮細胞遷移與新生血管形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而一氧化氮（NO）正是調(diào)控該過程的重要信號分子。受此生理過程啟發(fā)，本研究提出一種“時空可控”的酶促基底膜重塑策略，通過釋放NO，精準控制金屬基質(zhì)蛋白酶（MMP）活性，在維持血管結(jié)構(gòu)完整性的同時，實現(xiàn)基底膜屏障的高效突破。該策略將原本阻礙遞送的“血池”轉(zhuǎn)化為納米顆粒外滲的“前哨陣地”，實現(xiàn)“主動遞送”。該策略包括兩步關(guān)鍵過程：第一，NO誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細胞間連接破壞，暴露其外側(cè)基底膜，以促進納米顆粒準確定位基底膜并聚集形成“血池”；第二，NO進一步激活血池周邊內(nèi)皮細胞內(nèi)的MMP，短暫且可逆地精準降解基底膜，促進納米顆粒實現(xiàn)“動態(tài)噴發(fā)式”血管外滲，增強其在腫瘤組織內(nèi)的滲透。為實現(xiàn)NO腫瘤內(nèi)精準可控釋放，研究人員構(gòu)建了近紅外激光觸發(fā)的NO納米發(fā)生器（NanoNO），實現(xiàn)NO的時空可控釋放。NanoNO與臨床納米藥物聯(lián)合應(yīng)用后，在動物模型中顯著提高了多種納米藥物在腫瘤中的富集與治療效果。尤其重要的是，該策略通過激活內(nèi)源性MMP，避免了外源性酶引發(fā)的不可控降解與轉(zhuǎn)移風(fēng)險，增強了基底膜調(diào)控的安全性與可控性。

圖1、NO誘導(dǎo)基底膜屏障的空間催化降解，以增強納米顆粒進入腫瘤。

  透射與掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，在小鼠4T1乳腺癌模型中，腫瘤血管基底膜呈多層致密、纖維狀片層結(jié)構(gòu)。進一步對小鼠、兔及人類腫瘤樣本的系統(tǒng)性分析顯示，基底膜覆蓋率普遍超過95%，進一步驗證基底膜是限制納米顆粒進入腫瘤基質(zhì)的關(guān)鍵屏障。為動態(tài)追蹤納米顆粒的跨血管過程，研究團隊建立了小鼠耳部4T1腫瘤活體成像模型，并使用熒光標記的PEG-b-PLGA膠束作為模式納米顆粒。在靜脈注射納米顆粒1分鐘后，通過瘤內(nèi)注射NO供體，在腫瘤血管上觀察到納米顆粒“血池”形成，隨后出現(xiàn)“動態(tài)噴發(fā)式”外滲，即大量納米顆粒進入腫瘤基質(zhì)，且滲透范圍與深度明顯提升。值得注意的是，這個噴發(fā)過程是動態(tài)的，單個血池區(qū)域可在30分鐘內(nèi)發(fā)生多次噴發(fā)，且噴發(fā)頻率與NO劑量呈正相關(guān)。該現(xiàn)象亦在胰腺癌、結(jié)腸癌等多種腫瘤模型中得到驗證。NO可誘導(dǎo)多種類型的納米顆粒（如脂質(zhì)體、脂納米顆粒LNP及陽離子聚合物）發(fā)生動態(tài)噴發(fā)式的外滲現(xiàn)象，而對微米顆粒如葡聚糖作用較弱，表明其與顆粒尺寸密切相關(guān)。

圖2、NO誘導(dǎo)納米顆粒在血管處發(fā)生“動態(tài)噴發(fā)式”外滲現(xiàn)象，促進腫瘤基質(zhì)遞送。

  接下來，研究人員探究了NO突破基底膜屏障的機制。掃描電鏡顯示，NO誘導(dǎo)腫瘤血管內(nèi)皮細胞間形成大量內(nèi)皮間隙（平均尺寸約195 nm）。體外HUVEC模型表明，NO顯著增大細胞間隙面積，減少細胞粘附連接。機制研究表明，NO通過誘導(dǎo)VE-cadherin酪氨酸658位點磷酸化，加速VE-cadherin降解，同時引發(fā)肌動蛋白骨架重構(gòu)，從而增強內(nèi)皮細胞間隙開放。在體內(nèi)實驗中，NO同樣促使VE-cadherin表達下降及磷酸化水平上升，進而打開內(nèi)皮屏障，暴露出原本被隱匿的基底膜結(jié)構(gòu)。

圖3、NO促進內(nèi)皮間隙的打開，暴露隱藏在其外側(cè)的基底膜結(jié)構(gòu)。

  使用Tie2-cre:Ai9轉(zhuǎn)基因小鼠進行活體顯微成像，發(fā)現(xiàn)納米顆�？赏ㄟ^NO誘導(dǎo)形成的內(nèi)皮間隙進入內(nèi)皮下空間，并在基底膜與內(nèi)皮之間形成高熒光信號聚集的“血池”。延時成像顯示，血池在10分鐘內(nèi)形成并達到峰值，其密度高達每平方毫米血管面積2000個，呈明顯NO劑量依賴性。這一現(xiàn)象在多種腫瘤模型均觀察到，表明NO可誘導(dǎo)內(nèi)皮細胞間隙打開，促進納米顆粒精準空間定位于基底膜區(qū)域。

圖4、NO促進納米顆粒形成血池，實現(xiàn)基底膜的精確空間定位。

  在明確NO作用下納米顆粒定位在基底膜后，研究進一步闡明其促進納米顆�？缭交啄さ姆肿訖C制�；铙w成像結(jié)果顯示，NO可誘導(dǎo)基底膜產(chǎn)生直徑約1–5?μm的動態(tài)“孔洞”結(jié)構(gòu)。免疫組化、明膠酶譜分析及免疫熒光染色結(jié)果表明，NO可激活內(nèi)皮細胞內(nèi)的MMP，從而介導(dǎo)基底膜的降解過程。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，活化的MMP的空間分布與納米顆粒的噴發(fā)式外滲現(xiàn)象高度時空共定位。結(jié)合分子機制研究與MMP抑制劑干預(yù)實驗證實，NO通過激活內(nèi)源性MMP，誘導(dǎo)基底膜發(fā)生瞬時可逆性降解，促使納米顆粒從血管腔向腫瘤間質(zhì)呈噴發(fā)式釋放，從而為高效腫瘤遞送提供了新的策略。

圖5、納米顆粒依賴于活化的MMP突破基底膜屏障并誘導(dǎo)血池噴發(fā)。

  盡管NO具備良好的基底膜屏障調(diào)控能力，其在腫瘤靶向應(yīng)用中仍面臨釋放速率控制、系統(tǒng)副作用及組織特異性遞送等挑戰(zhàn)。作為概念驗證，研究團隊開發(fā)了NanoNO系統(tǒng)，通過近紅外光觸發(fā)按需釋放NO，以提升遞送效率并增強靶向性。NanoNO以上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNP）為核心，外層修飾聚乙二醇并錨定N-亞硝胺類NO供體（NOD）。在980 nm激光照射下，UCNP發(fā)射的UV-Vis光激活NOD，實現(xiàn)NO的精準釋放。

  活體成像顯示，NanoNO在4T1腫瘤血管中誘導(dǎo)大量“血池”形成并隨著時間發(fā)生動態(tài)噴發(fā)，促進納米顆粒向腫瘤深層滲透。該效應(yīng)歸因于近紅外光的組織穿透力及NO釋放的局部調(diào)控能力。進一步研究顯示，MMP在此過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用：NanoNO與MMP抑制劑聯(lián)用后，雖仍可形成血池，卻明顯抑制納米顆粒外滲。值得注意的是，NanoNO誘導(dǎo)的血管通透性增強具有良好可逆性，近紅外照射后血管屏障在24小時內(nèi)逐步恢復(fù)，避免了永久性結(jié)構(gòu)破壞，從而在保障安全性的同時，提供一個短暫但有效的“遞送窗口”。

圖6、NanoNO實現(xiàn)可控釋放NO，突破腫瘤血管基底膜屏障，誘導(dǎo)納米顆粒“動態(tài)噴發(fā)式”外滲行為。

  體內(nèi)治療實驗結(jié)果顯示，NanoNO聯(lián)合近紅外照射可顯著提升多種納米顆粒（包括聚合物納米顆粒、脂質(zhì)體、金納米顆粒）在原位及異位4T1腫瘤中的富集效率。該策略同樣顯著增強了臨床納米藥物的遞送效果，例如脂質(zhì)體阿霉素（Lipo DOX）與mRNA-LNP的遞送效率分別提升約3-4倍。其中，聯(lián)合NanoNO的Lipo DOX治療幾乎完全抑制腫瘤生長，抑瘤率達96%；聯(lián)合PTEN mRNA也可實現(xiàn)約80%的抑瘤效果。在兔VX2腫瘤模型中，NanoNO聯(lián)合DOX聚合物膠束治療的抑瘤率達94%，進一步驗證了該策略在不同動物物種與納米平臺間的廣泛適用性。毒理學(xué)評估顯示，NanoNO具有良好的生物相容性，短期與長期使用均未觀察到明顯毒副作用或促腫瘤轉(zhuǎn)移風(fēng)險。

  本研究在納米藥物領(lǐng)域取得了多方面的進展。首先，本工作強調(diào)了非內(nèi)皮性屏障，尤其是基底膜在藥物遞送過程中的關(guān)鍵屏障作用。通過利用NO這一臨床可及的干預(yù)手段實現(xiàn)對基底膜結(jié)構(gòu)的可控調(diào)節(jié)，顯著增強了多種已獲批納米藥物的治療效果，為納米藥物的臨床轉(zhuǎn)化提供了新契機。其次，研究系統(tǒng)揭示了NO與腫瘤血管間的相互作用機制，發(fā)現(xiàn)NO可誘導(dǎo)納米顆粒在血管內(nèi)形成動態(tài)噴發(fā)式跨血管轉(zhuǎn)運行為，從而實現(xiàn)高效腫瘤遞送。該策略具有良好的通用性，有望拓展應(yīng)用于蛋白質(zhì)藥物、抗體療法、疫苗及工程化細胞治療等多種治療體系。本研究構(gòu)建的遞送優(yōu)化體系不僅適用于腫瘤治療，也為多種存在基底膜屏障的疾病實現(xiàn)精準遞送提供了具有廣泛適用性的通用平臺。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41551-025-01385-w