广州医科大学欧阳江、郭伟圣AM：新型纳米线水凝胶问世：一步合成，双效抑制肿瘤复发与术后感染

摘要：尽管现代医学在癌症治疗方面取得了显著进展，手术切除仍是当前癌症患者的主要治疗手段。然而，术后肿瘤复发和伤口感染严重影响了患者的生存率和生活质量。残留的肿瘤细胞隐藏在周围组织或手术边缘，常常引发肿瘤再生；同时，术后护理不当易导致感染，进一步加剧病情恶化。此外，手

尽管现代医学在癌症治疗方面取得了显著进展，手术切除仍是当前癌症患者的主要治疗手段。然而，术后肿瘤复发和伤口感染严重影响了患者的生存率和生活质量。残留的肿瘤细胞隐藏在周围组织或手术边缘，常常引发肿瘤再生；同时，术后护理不当易导致感染，进一步加剧病情恶化。此外，手术创伤本身会促进血管生成因子的过度表达，加速肿瘤复发。传统的术后辅助治疗如化疗、免疫治疗等虽有一定效果，但全身给药方式常伴随非选择性毒性、快速清除和生物利用度低等问题，限制了其临床应用。

近日，广州医科大学欧阳江教授、郭伟圣教授和哈佛医学院陶伟助理教授合作，提出了一种全新的解决方案：通过一步法自组装合成了一种集多种功能于一身的纳米线水凝胶（V-Hydrogel）。该水凝胶由具有多酶模拟活性的V₂O₅纳米线与杀菌交联剂THPS构成，不仅保留了纳米线的类酶催化性能，能实现高效的肿瘤特异性催化治疗，还具备强大的抗菌能力，可有效预防手术部位感染。此外，该水凝胶能动态适应肿瘤微环境，精准覆盖不规则切除腔，并通过调控免疫微环境增强全身抗肿瘤免疫反应。相关论文以“A Readily Synthesized All-In-One Nanowire Hydrogel: Toward Inhibiting Tumor Recurrence and Postoperative Infection”为题，发表在Advanced Materials上，论文第一作者为Tao Na。

研究人员首先通过简便的沉淀-再分散法制备了V₂O₅纳米线，经AFM、TEM和XPS等表征确认其具有均匀的纳米线形貌、清晰的晶格条纹以及以V⁵⁺为主的氧化态（图1）。这些纳米线展现出类谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和氧化酶（OXD）等多种酶模拟活性，为其后续在肿瘤催化治疗中的应用奠定基础。

图1. V₂O₅纳米线的制备与表征 a) V-Hydrogel用于术后肿瘤治疗的制备示意图；b) V₂O₅纳米线的AFM图像；c,d) TEM图像；e,f) HR-TEM图像及相应的V（红）和O（黄）元素分布图；g) XPS全谱；h,i) V 2p和O 1s的高分辨率XPS谱。

随后，通过将V₂O₅纳米线与不同浓度的THPS交联，成功构建出V-Hydrogel（图2）。该水凝胶在形成过程中发生明显的颜色变化（红→绿），XPS分析表明钒由+5价还原至+3价，并形成V–O–P键，证实了THPS参与的交联机制。流变学测试显示水凝胶具有良好的机械性能和剪切稀化行为，SEM图像揭示其多孔网络结构，元素分布均匀，表明材料结构稳定且成分均一。

图2. V-Hydrogel的形成机制与性质 a) 不同浓度THPS与V₂O₅纳米线混合前后的水凝胶照片；b) XRD图谱；c) 应变扫描测试得到的储能模量与损耗模量；d) 粘度随剪切速率变化；e) 不同THPS浓度下水凝胶的SEM图像；f) 元素分布图；g) XPS全谱对比；h–j) V 2p、O 1s和P 2p的高分辨率XPS谱；k) 凝胶化机制示意图。

V-Hydrogel不仅保留了V₂O₅纳米线的多酶活性，还展现出优异的光热性能（图3）。在催化方面，它能够根据底物浓度自适应调节产氧/耗氧模式，在肿瘤微环境中通过类POD和OXD活性产生细胞毒性ROS，而在正常组织中则通过类GPx和CAT活性清除过量ROS，实现选择性肿瘤杀伤。在808 nm激光照射下，水凝胶表现出浓度和功率依赖的升温效应，且经过三个循环后仍保持稳定的光热转换性能。

图3. V-Hydrogel的多酶模拟活性与光热性能 a) 类GPx活性催化机制示意图；b) 不同时间点NADPH吸光度；c) 不同H₂O₂浓度下的NADPH吸光度；d) 类POD活性示意图；e) 不同处理下的POD活性；f) 不同H₂O₂浓度下的oxTMB吸光度；g) 类CAT活性示意图；h) 不同条件下的溶解氧浓度；i) 类CAT活性的米氏动力学曲线；j) 类OXD活性示意图；k) TMB随浓度变化的吸光度；l) 类OXD活性的米氏动力学曲线；m) 多酶活性动力学参数；n) 激光功率依赖的升温曲线；o) 三次激光开关循环下的温度变化。

在体外实验中，V-Hydrogel对大肠杆菌（E. coli）和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）均表现出强烈的抗菌作用，其主要杀菌成分来自THPS（图4）。SEM图像显示细菌形态严重破坏，细胞膜破裂。此外，该水凝胶能显著诱导4T1肿瘤细胞内ROS生成，降低线粒体膜电位和ATP含量，引发细胞凋亡，且效果在激光联合作用下进一步增强。

图4. V-Hydrogel的抗菌与抗肿瘤活性评估 a) 不同处理后E. coli和MRSA的菌落图片；b,c) E. coli和MRSA的OD600值变化；d) 不同处理后细菌的SEM图像；e) 不同细菌浓度下的生长曲线；f) 4T1细胞活死染色荧光图像（红：死细胞，绿：活细胞）；g) DCFH-DA探针检测ROS生成（绿色）；h) JC-1染色检测线粒体膜电位；i) 不同时间点细胞活力；j) 线粒体膜电位定量分析；k) 细胞内ATP含量定量。

在体内抑瘤实验中，采用不完全肿瘤切除模型，V-Hydrogel联合NIR照射组表现出最强的肿瘤抑制效果，显著延缓肿瘤复发和肺转移（图5）。H&E和TUNEL染色显示该组肿瘤组织坏死区域最大，且对主要器官无显著毒性。进一步通过流式细胞术和ELISA检测发现，V-Hydrogel能促进树突状细胞成熟、诱导巨噬细胞向M1表型极化，并上调促炎因子TNF-α、下调免疫抑制因子IL-10，有效逆转免疫抑制微环境（图6）。

图5. V-Hydrogel的体内抗肿瘤效果与免疫响应 a) 不完全切除模型建立与治疗示意图；b) 不同处理后小鼠肿瘤生长曲线与照片；c) 肿瘤体积变化；d) 切除的肿瘤照片；e,f) 肿瘤组织的H&E和TUNEL染色图像；g) 肺组织H&E染色（X1和X10）。

图6. V-Hydrogel增强抗肿瘤免疫响应 a) 流式细胞术检测CD80与CD86表达（设门CD11c+）；b) M1/M2巨噬细胞流式分析与定量；c) 脾脏中成熟DC细胞定量；d) M1/M2比值；e,f) 血清中TNF-α和IL-10的ELISA检测；g,h) 肿瘤组织中TNF-α和IL-10的免疫组化图像（X1和X10）。

RNA-Seq分析进一步从转录组层面揭示了V-Hydrogel的作用机制（图7）。差异表达基因显著富集于免疫相关通路，如细胞因子-受体相互作用、Chemokine信号通路等。尤其值得注意的是，羟基羧酸受体2（HCAR2）的表达显著上调，与多种免疫细胞浸润水平正相关，进一步证实了该水凝胶在免疫激活方面的潜力。

图7. RNA-Seq分析肿瘤组织转录组 a) 差异表达基因火山图（红：上调，蓝：下调）；b,c) KEGG和GO富集分析；d) 17种免疫细胞在不同组中的相对水平；e–i) HCAR2表达与免疫细胞浸润的相关性分析；j–l) 与HCAR2相关的GO、KEGG和Hallmark通路富集分析。

最后，在MRSA感染的全层皮肤缺损模型中，V-Hydrogel能显著加速伤口愈合，促进胶原沉积和上皮再生，展示出优异的抗菌和组织修复能力（图8）。

图8. V-Hydrogel促进感染伤口愈合 a) 不同处理组伤口在0–14天的宏观图像；b) 伤口面积随时间变化；c) 第14天伤口面积定量；d) 伤口闭合比例随时间变化；e) 第14天伤口闭合率；f,g) 第14天伤口组织的H&E和Masson三色染色图像；h–j) 上皮厚度、胶原沉积和伤口长度的定量分析。

综上所述，该研究通过一步法成功构建了一种多功能纳米线水凝胶，兼具催化治疗、光热治疗、抗菌和免疫调节等多种功能，有效应对了术后肿瘤复发和感染的双重挑战。这一策略为术后辅助治疗提供了新思路，具有重要的临床转化潜力。