肿瘤微环境中流动和纳米粒渗透的动力学：实验和理论研究

Nanoparticles (NPs) hold great promise for the targeted delivery of anticancer drugs. A fast and deep penetration inside tumor issues is essential to the success of the targeted delivery. The convective flow inside tumor tissue is recognized as the major penetration mechanism, which is affected by the flow resistance of the channel, and the electrostatic interaction between NPs and tissue. The objective of this propose research is to elucidate the penetration dynamics from the view points of the interstitial fluid flow, pore resistance and electrostatic interaction. The first part of the proposed study is to establish an in vitro 2D and 3D tumor model of penetration as function of interstitial fluid flow. Then three critical issues concerning the penetration versus convective flow will be addressed: 1) the interstitial fluid flow pattern under the high interstitial fluid pressure and trough the compact extracellular matrix, 2) the synergetic impact of the interstitial fluid pattern, pore resistance and electrostatic interaction on the NPs penetration, and 3 ) the impact of interstitial fluid pattern and pore resistance on the active transport upon transcytosis mechanism. Thirdly, a novel mechanism involving the penetration driven by the electric potential gradient when large amount of charged NPs concentrated surround the tumor sphere will be proposed . Finally, novel approaches to enhance the NPs penetration upon the optimization of tumor microenvironment and the composition of the NPs. With these we hope to deepen the understanding of NPs penetration, prompt the clinical applications of NPs to chemotherapy, in addition to advance the theory of fluid flow and particle transport in porous matrix.

纳米粒是肿瘤药物靶向输送的重要载体，其在肿瘤内的快速、深度渗透，是成功实现肿瘤细胞靶向输送的关键。肿瘤组织液对流引起的纳米粒胞间迁移，被认为是渗透的主要机制，而肿瘤内组织的空间阻力、纳米粒和组织的静电作用，是普遍存在的影响渗透的物理作用。本课题从组织液流动、空间阻力和静电作用角度研究纳米粒的渗透动力学。课题将发展肿瘤组织中渗透的体外研究模型和方法,回答有关渗透机制的三个重要问题：肿瘤内部高液压和致密网络对流动和渗透的影响；流动、空间阻力和静电作用如何共同影响纳米粒的胞间渗透；流动、空间阻力是否同样影响以主动转运方式进行的纳米粒穿细胞渗透。探讨有关静电作用的新机制；从肿瘤微环境调控和纳米粒性质优化相结合的角度，提出强化和调控渗透的途径。该研究将完善肿瘤微环境中纳米粒渗透的理论和实验基础，推进纳米粒从实验室研究向临床应用产品的转化；丰富化学工程对于多孔介质中流动和颗粒渗透行为的相关理论。

纳米粒是将药物靶向输送到肿瘤的重要载体，其在肿瘤组织中渗透是成功实现肿瘤靶向输送的关键问题之一。本项目发展肿瘤组织中纳米粒渗透的体外研究模型和方法，重点研究了流动、肿瘤内高液压、空间阻力、静电作用、纳米粒表面蛋白晕以及穿细胞途径对渗透的影响规律，探讨强化纳米粒在肿瘤中渗透的途径。研究获得以下重要结果：1）建立了肿瘤细胞球-芯片体外肿瘤模拟系统及原位观测渗透并进行半定量分析的方法，可模拟肿瘤内部内高液压和流动环境。2）肿瘤内高液压通过影响肿瘤细胞间隙流，对纳米粒的渗透深度有一定影响，但对渗透量无显著影响；细胞间隙阻力对纳米粒渗透深度的影响更显著。通过增加外部流体的流速，提高纳米粒的可形变性，可一定程度上克服高液压和细胞间质阻力，增加渗透深度。3）提出并证实了一种肿瘤内静电作用的新机制：细胞球内细胞密度分布差使球内形成一个指向细胞球外的电场，该电场促进表面负电纳米粒的吸附和渗透，阻碍正电位纳米粒的吸附和渗透，且是阻碍正电位纳米粒渗透的主要因素。4）纳米粒表面吸附蛋白形成的蛋白晕减小了纳米粒和细胞之间的亲和力，显著减少了细胞球表面纳米粒吸附量，使纳米粒更多被细胞球表面流体带走，从而使细胞球表面纳米粒浓度显著降低，渗透量大幅下降。5）研究了穿细胞途径对渗透的贡献，发现穿细胞渗透同样受细胞内渗流和静电的影响；发现穿细胞在肿瘤球3D模型中对渗透的贡献和2D模型中的结果存在显著差异，提示穿细胞渗透效果的评价必须以3D模型或者活体模型开展。6）提出了通过抑制蛋白在纳米粒表面吸附、利用电场作用，引入穿细胞途径，而强化纳米粒渗透的途径，使纳米粒的累计渗透量提高34%。上述纳米粒负载紫杉醇，体外抑制肿瘤细胞球生长，使细胞球直径较空白对照减小49%。上述研究工作，完善了肿瘤微环境中纳米粒渗透的理论和实验基础，推进纳米粒从实验室研究向临床应用产品的转化；丰富了化学工程对于多孔介质中流动和颗粒渗透行为的相关理论。