Calcium phosphate engineered photosynthetic microalgae to combat hypoxic-tumor by in-situ modulating hypoxia and cascade radio-phototherapy

磷酸鈣工程光合微藻通過原位調節(jié)缺氧和級聯放射光療來對抗缺氧腫瘤

來源：Theranostics 2021, Vol. 11, Issue 8

 

1. 摘要核心內容

 

本研究開發(fā)了一種 鈣磷酸鹽（CaP）工程化的光合微藻系統(tǒng)（CV@CaP），用于解決腫瘤放療中的缺氧問題：

 

設計原理：以小球藻（Chlorella vulgaris）為核心，通過表面生物礦化形成CaP保護層，維持光合活性。

 

核心功能：

 

原位供氧：通過光合作用緩解腫瘤缺氧，增強放療效果（圖2）。

 

級聯治療：X射線釋放葉綠素作為光敏劑，結合650nm激光實現光動力/光熱協(xié)同治療（圖3）。

 

成像引導：利用葉綠素固有熒光/光聲特性實現雙模態(tài)成像（FLI/PAI），實時監(jiān)測腫瘤微環(huán)境（圖4-5）。

 

 

 

療效驗證：在乳腺癌模型（4T1）中顯著抑制原發(fā)腫瘤生長和轉移（圖6-8），且系統(tǒng)生物相容性良好。

 

 

 

2. 研究目的

 

解決實體瘤 缺氧導致的放療抵抗 問題。

 

開發(fā) 生物相容性供氧系統(tǒng)，避免合成納米材料的毒性缺陷。

 

實現 多模態(tài)成像引導下的協(xié)同治療（放療+光療）。

 

3. 研究思路

 

材料設計：

 

生物礦化包覆：CaP層保護微藻（圖1B），提升體內穩(wěn)定性（SEM/TEM驗證，圖1C）。

 

功能保留：葉綠素熒光/光合活性未受損（圖1H-I）。

 

體外驗證：

 

缺氧緩解：Unisense電極量化CV@CaP的產氧能力（圖2A）。

 

放療增敏：克隆形成實驗證實缺氧細胞放療抵抗逆轉（圖2D-E）。

 

體內治療：

 

靶向遞送：熒光成像示蹤腫瘤富集（圖4A-C）。

 

動態(tài)監(jiān)測：光聲成像實時顯示腫瘤氧合改善（圖5B-D）。

 

協(xié)同治療：放療（6Gy X射線）+光療（650nm激光）抑制原發(fā)灶及轉移（圖6-8）。

 

4. 測量數據及研究意義

(1) 材料表征（圖1）

 

SEM/TEM：CaP包覆后微藻表面光滑致密（圖1C）→ 意義：證實礦化層形成，提升生物穩(wěn)定性。

 

FTIR/EDS：554-1027 cm?1磷酸基團特征峰（圖1F），Ca/P元素分布（圖1D）→ 意義：驗證CaP化學組成。

 

粒徑/Zeta電位：尺寸增至2600nm，電位中和（圖1E,G）→ 意義：優(yōu)化腫瘤EPR效應遞送。

 

(2) 供氧能力（圖2）

 

Unisense電極數據：

 

CV@CaP產氧延遲但持久：峰值滯后1小時，持續(xù)4小時（圖2A）→ 意義：匹配腫瘤富集時間窗，為放療增敏提供時間依據。

 

體外缺氧逆轉：CV@CaP處理使缺氧細胞（1% O?）氧分壓恢復至常氧水平（圖2C）→ 意義：直接驗證原位供氧效能。

 

克隆形成實驗：CV@CaP+放療（8Gy）抑制率＞90%（圖2E）→ 意義：證實缺氧緩解可顯著提升放療敏感性。

 

(3) 光療機制（圖3）

 

葉綠素釋放：X射線破壞微藻結構釋放葉綠素（圖3A）→ 意義：實現放療觸發(fā)光敏劑遞送。

 

ROS生成：DCFH-DA檢測顯示CV@CaP+激光組ROS↑93.2%（圖3B-C）→ 意義：級聯光動力治療可行性驗證。

 

細胞殺傷：Calcein-AM/PI染色顯示協(xié)同治療組大面積細胞死亡（圖3F）→ 意義：多模態(tài)治療優(yōu)勢直觀呈現。

 

(4) 成像與療效（圖4-8）

 

熒光成像（圖4）：

 

腫瘤靶向：靜脈注射4小時腫瘤熒光信號達峰值（圖4A）→ 意義：實時示蹤遞送效率，指導治療時間窗。

 

器官分布：主要富集于腫瘤/肝臟（圖4B-C）→ 意義：評估生物分布與潛在代謝路徑。

 

光聲成像（圖5）：

 

氧合動態(tài)監(jiān)測：HbO?信號4小時↑26.2%，Hb↓20倍（圖5C）→ 意義：無創(chuàng)量化腫瘤缺氧逆轉程度。

 

抑瘤效果（圖6）：

 

協(xié)同治療組：腫瘤抑制率95.9%（圖6C）→ 意義：驗證CV@CaP放療增敏+光療的協(xié)同效應。

 

抗轉移（圖8）：

 

肺/肝轉移抑制：CV@CaP+RT+Laser組無可見轉移灶（圖8A-B）→ 意義：系統(tǒng)治療抑制遠端轉移。

 

5. 關鍵結論

 

CV@CaP是高效生物供氧體：

 

CaP包覆提升微藻體內穩(wěn)定性，光合作用持續(xù)緩解腫瘤缺氧。

 

級聯治療機制：

 

X射線破壞微藻釋放葉綠素，聯合激光實現PDT/PTT。

 

診療一體化：

 

葉綠素固有特性支持FLI/PAI雙模態(tài)成像，指導精準治療。

 

顯著療效：

 

協(xié)同治療抑制原發(fā)腫瘤生長（95.9%）及轉移，且系統(tǒng)毒性低（圖S19-S21）。

 

6. 丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

技術原理與方法

 

設備型號：Unisense氧敏感電極（具體型號未注明）。

 

工作原理：

 

基于 電化學傳感，通過極化電壓（-0.8V）檢測溶解氧濃度變化，精度達微摩爾級。

 

校準方法：

 

零點校準：0.1M抗壞血酸+0.2M NaOH（無氧溶液）。

 

滿量程校準：氧飽和溶液（21% O?）。

 

實驗設計：

 

微藻（5×10?細胞）暗適應除氧后，白光照射下連續(xù)監(jiān)測5小時氧分壓（圖2A）。

 

研究意義

 

直接量化光合效率：

 

首次證實 CaP包覆延長產氧持續(xù)時間（4小時 vs 裸藻1小時），為放療時間窗設計提供依據（圖2A）。

 

解決人工供氧系統(tǒng)驗證難題：

 

傳統(tǒng)H?O?催化供氧依賴腫瘤微環(huán)境，Unisense數據 直接證明CV@CaP獨立供氧能力，避免間接推算誤差。

 

動態(tài)過程解析：

 

秒級分辨率捕捉 產氧動力學曲線（延遲期→平臺期），揭示礦化層對氣體擴散的調控作用（圖2A）。

 

體外-體內橋接：

 

體外數據（圖2A）與體內光聲成像（圖5B-D）一致證實缺氧逆轉，驗證治療機制可靠性。

 

對領域貢獻

 

提供金標準：Unisense電極是 少數能直接測量溶解氧的工具，彌補了熒光探針（如[Ru(dpp)?]Cl?）的半定量局限。

 

推動生物供氧系統(tǒng)優(yōu)化：明確礦化層"緩釋"特性，啟發(fā)后續(xù)材料設計（如可控降解殼層）。

 

總結：丹麥Unisense電極通過 高精度溶解氧監(jiān)測，成為驗證CV@CaP光合供氧能力的核心技術，其數據直接支撐了"缺氧逆轉增強放療"的核心機制，為生物合成系統(tǒng)的治療效能提供了不可替代的實驗證據。