水凝膠作為新興的drug載體已廣泛用於傳輸tumour drugs。與全身chemotherapy相比，水凝膠drug載體的side-effect較小，並可在tumour部位持續釋放drugs。此外，水凝膠比納米顆粒載體更有優異的生物相容性和生物降解性，toxicity更低。智能水凝膠可以響應環境中的刺激（例如，熱，pH，光和超聲），以此實現原位凝膠化或drug delivery，這對於提高drug輸送的便利性和效率有顯著效果。南京大學胡一橋／吳錦慧教授團隊總結了用於cancer therapy的水凝膠的尺寸大小對遞送途徑的影響，討論了刺激響應水凝膠的設計策略，並回顧了過去幾年中有關智能水凝膠的研究。相關綜述「Hydrogel-Based Controlled Drug Delivery for Cancer Treatment: AReview「於發表於 ACS Mol. Pharmaceutics.
1 介紹
Cancer一直是人類最致命的disease之一。2018年，全世界有960萬人死於cancer。當前的cancer treat方法包括operation、chemotherapy、radiotherapy和immunotherapy。chemotherapy有許多缺點，如drug不良反應、treatment指數低、drug耐受性和targeting性差等原因，使其在應用上受到許多限制。近年提出了新的drug遞送方法，例如納米技術，它可以通過被動和主動targeting途徑實現drugs在tumour組織中的選擇性積累，但它具有爆發釋放，生物粘附性差和不可逆轉形變的缺點，因此不適合長期給藥。水凝膠是另一種有效的drug遞送方法，其含水量大，具有優異的bio相容性，幾乎忽略不計的cytotoxicity，突出的drug包封能力，近年來已廣泛用於caner treat。與正常組織相比，tumour組織具有許多獨特的特徵（例如，低氧，酸性pH值，通透性和保留效果強）。通常，用於treat cancer的水凝膠可設計為從納米凝膠到宏觀凝膠等不同尺寸，可在內部或外部刺激下表現出各種drug釋放機制。本文作者將討論水凝膠的不同大小及其在cancer treat中的遞送途徑，總結幾種水凝膠形成和從水凝膠中drug delivery的方法，並分析水凝膠作為可控drug遞送工具及其未來前景。
2 用於cancer treat的多尺度水凝膠及其遞送途徑
水凝膠是指由親水聚合物組成的三維（3D）骨架，它的普及可以歸因於四項性質：生物相容性，bio降解性，drug loading能力和可控的drug釋放。生物相容性是指水凝膠植入後不會對人體產生明顯的cell或general toxicity，也不會誘導immune刺激活性。許多用於製備用於cancer treat的水凝膠的天然聚合物和合成聚合物都是可bio降解的（如殼聚糖（CTS）、透明質酸（HA）、海藻酸酯（ALG）、聚磷腈）。水凝膠的多孔性質使其具有負載大量水溶性化合物（如治療活性蛋白和肽）的能力。此外，可通過改變結構來控制治療劑的釋放速率。水凝膠根據尺寸大小可分為宏觀凝膠、微凝膠（0.5–10μm）和納米凝膠（<200 nm）。不同的大小和結構決定了水凝膠的不同功能以及將其用於cancer treat的遞送途徑（圖1）。
圖1 不同大小水凝膠對應的cancer treat途徑。
2.1 宏觀凝膠
宏觀凝膠是指尺寸大於毫米量級的凝膠，通常用於tumour組織周圍的直接注射或植入。大多數用於cancer therapy的宏觀凝膠是局部遞送的。此外，水凝膠可使chemotherapeutics得以原位持續釋放，增加了drugs的溶解度和選擇性，可減少drugs的總劑量。
2.1.1用於局部cancer chemotherapy的可注射水凝膠
直接注射到tumour的chemotherapy drugs很容易在blood循環清除，說明該drugs無法長時間保留在在tumour組織而無法消除tumour。以水凝膠裝載chemotherapy drugs被並植入tumour周圍可以長時間維持tumour組織的drugs濃度，減少全身性toxic and side effect，並避免多次注射。Kim提出了一種基於水凝膠的drug carrier，其中載有兩種chemotherapy drugs，阿黴素（DOX）和5-氟尿嘧啶（Fu），drugs釋放時間長達18天。載有Fu的Pluronic水凝膠（Fu-HP）或載有Fu的二嵌段共聚物的水凝膠（Fu-HC）與載有DOX的微膠囊（DOX-M）混合以形成兩種類型drugs。DOX-M / Fu-HP和DOX-M / Fu-HC都易於注射到tumour中，並植入後可以在體溫下原位凝膠化。微膠囊與水凝膠複合比單獨使用微凝膠有更長drugs的釋放時間，避免drugs局部高濃度，從而限制toxic drugs的水平。drugs釋放過程和治療機理如圖2所示。
圖2 原位注射antitumour，控釋水凝膠的示意圖。
光動力therapy（PDT）是一種使用光，光敏劑和氧氣的局部anticancer療法，已被批准用於clinic。局部特性使可注射水凝膠成為光敏劑負載的合適載體。光敏劑被光激活到激發態，並在返回基態時釋放能量，從而將組織中的氧氣轉移到活性氧（ROS）中，從而介導cell tocixity。liu等提出了一種tumour周圍注射的水凝膠，該水凝膠由α-環糊精（α-CD）和帶有葉酸靶向基團的帶正電荷的兩親共聚物組成（圖3）。該水凝膠實現了紫杉醇（PTX）的7天代碼傳遞，並可在tumour部位轉移B cell lymphoma2（Bcl-2）gene Nur77，並有效抑制葉酸受體的tolerance tumour cells的生長。水凝膠的gene-聚合物靜電相互作用和緩慢的bio降解保證了cell中的緩釋和高轉gene表達，從而大大增強了gene therapy的功效。
圖3 釋放治療劑和核酸的水凝膠。
2.1.2用於cancer immunotherapy的局部水凝膠therapy
Cancer immunotherapy可以減少cancer復發的機會。Cancer immunotherapy包括cell因子、anticancer vaccine、immune cell engineering、和檢查點抑制劑。但其全身性給drug可能導致實質性toxicity導致treatment效果有限。局部immune調節具有出色的therapy和低系統toxicity，可促進全身性anticancer immunity。由於水含量高，水凝膠與軟組織相似，是cell外基質（ECM）的合適替代品，可有效地攜帶immune cell、immunoprotein和cell因子而不損害其生物學活性。除了用作特定cell的轉移載體外，水凝膠還可用作優良的vaccine輸送載體。類似於ECM的水凝膠可保持vaccine的生物活性，並含有高度相關的antigen和佐劑，為樹突狀cell（DC）的聚集和增殖提供了局部空間。此外，immune檢查點抑制劑與其他tumour therapy的組合已成為tumour therapy領域中的熱門話題，一些研究人員也在探索這些drugs的新方法。Wang等設計了一種原位ROS響應水凝膠支架，用于吉西他濱（GEM）和抗PD-L1（aPDL1）阻斷antibody的代碼傳遞。水凝膠中的-N1，N1，N3，N3-四甲基丙烷-1,3-二銨（TSPBA）在高ROS含量時斷裂，從而釋放出水凝膠中的GEM和aPDL1並殺死tumour cell。此外水凝膠具有出色的bio降解性，可在7天後緩慢降解，在3周後幾乎完全降解。
2.1.3微針貼劑
與給drugs和subcutaneous注射相比，微針（MN）貼劑具有許多優勢，例如給drugs方便，blood drugs濃度低，通透性高，toxicity副作用小，這可避免肝臟首過性代謝以及疼痛。水凝膠MN（例如透明質酸和右旋糖酐）與其他MN（例如矽，玻璃和陶瓷）不同，它們有更高的bio相容性和可bio降解性，並且在插入皮膚後不存在尖銳的bio危害性尖端廢物。水凝膠MNs與有較高的含水量，因此具有模仿ECM的能力，是bio分子輸送的合適平臺。從水凝膠MNs釋放的drugs取決於體內的整體降解和快速降解以及吸收，穿孔部位可快速恢復，而其他聚合物MNs則沒有這些特性。此外，可通過製備方法來調節水凝膠MN的物理性質（例如，剛度）。水凝膠MN的這些優點確保了其在cancer treat的drugs遞送中的廣泛應用。裝有小分子藥物的水凝膠MN可以提高遞送效率，降低drugs的side-effect，並降低刺穿皮膚後碎片破裂的風險。水凝膠MN在將drugs輸送至lymphaden以抑制tumour進展、通過lymphatic系統轉移方面起著協同作用。與lecithin納米結構凝膠（LNG）結合後，由透明質酸製成的可溶性MN顯著改善了targetting lymphatic結的遞送。微針的溶解促進了LNG的subcutaneous釋放，從而增強了lymphatic結封裝drugs的系統交付。在大鼠模型中，將微針插入皮膚，並通過降解有效地皮下釋放DOX-LNG。實驗結果表明，在MNs的輔助下，DOX-LNGs可以顯著穿過皮膚屏障，促進DOX在皮下lymphatic中的聚集並增加其在plasma中的透皮bio利用度。
結合納米顆粒的水凝膠MN用於遞送抗PD-1 antibody（aPD1）可以減輕劑量依賴性自身immunological diseases的風險，並確保持續釋放。Wang等報導了一種新型的可降解MN，可遞送aPD1用於melanoma therapy。MN由bio相容性透明質酸與酸敏感的葡聚糖納米顆粒（NP）整合而成，納米顆粒包裹aPD1和葡萄糖氧化酶（圖4）。由於皮膚中存在各種immune cell，MN可以輕鬆穿透表皮而不會疼痛，將aPD1傳遞至局部lymph和blood capillary，從而增強了與T cell的連接。
圖4 用於skin cancer immunotherapy的遞送aPD-1的微針示意圖。（a）從微針貼片釋放aPD1。（b）激活T cell。
2.2 微凝膠
微凝膠是指尺寸約為0.5–10μm的水凝膠。與宏觀水凝膠相比，該尺寸的水凝膠具有較大的表層面積，因此更適合生物綴合。據報導，這種大小的異物容易被macrophage吞噬，由於栓塞的風險，不適用於blood tube內注射。鑑於此，用於cancer treat的微凝膠遞送途徑通常僅限於口服遞送，lung部遞送或經動脈化學栓塞以treat位於某些器官中的tumour。
2.2.1口頭遞送
儘管口服傳遞存在一些問題，例如targeting性差、stomach and intestine道中的化學環境惡劣、很少通過循環系統用於treat tumour，但是口服傳遞是有效的治療途徑Stomach and colon cancers的療法。此外，口服遞送水凝膠已顯示出可調節參與Drug resistance性的P-糖蛋白外排泵的活性，增強溶解性並增加通過gastrointestinal tract的通透性。為了提高drugs遞送的效率，用於口服遞送的微凝膠作為有效的藥物載體。與脂質體、膠束和某些納米顆粒相比，口服水凝膠在gastrointestinal tract環境中具有較高的黏膜通透性和穩定性。如殼聚糖是一種線性聚合物，在d-氨基葡萄糖殘基上帶有一個帶電荷的氨基，它可以通過靜電作用與胃粘液中的N-乙醯神經氨酸發生相互作用，它們在胃中的停留時間更長。殼聚糖和明膠衍生物可抑制tumour生長並降低了blood tube內皮生長因子蛋白的表達。果膠在酸性條件下穩定並對對蛋白酶和澱粉酶具有抗性。明膠化的果膠不溶於水、酸和鹼條件以及其他溶劑，只能在colon中被果膠酶降解。
2.2.2 Lung部delivery
Lung部輸送通過吸入氣溶膠直接將drugs輸送到lung部，而無需進行侵入性給藥或首過代謝。微凝膠在lung部輸送方面具有許多優勢：在lung泡中drugs劑量相對均勻分布，增強drugs溶解性，持續釋放drugs，適合大分子遞送，bio降解時無明顯inflammation以及副作用低等優點。載有anticancer的可bio降解微凝膠用於特定部位的lung部遞送，以治療原發性和轉移性cancer並可以增加肺部tumour對drugs的暴露時間，同時減少副作用。大多數用於lung部遞送的微凝膠的大小範圍限制在0.1–1μm，因為較大的水凝膠（> 5μm）可能導致bronchia阻塞，從而會導致致命的後果。Alipour等通過乳化技術製備了載有紫杉醇的微粒，顯示出抑制tumour生長的巨大功效。drugs loaded微凝膠對lung cancer的局部治療有益，但微凝膠的大小和表面改性特性需要進一步優化，以確保更有效的控釋和更有選擇性的targeting能力。
2.2.3經動脈化療栓塞
經動脈化學栓塞術（TACE）是一種技術，它涉及在放射線的幫助下通過blood tube將與anticancer drugs結合，是在clinic上treat hepatocellular carcinoma的有效方法，特別是對於不能耐受手術的patient（圖5）。由於其生物相容性，易於運輸、抗遷移、穩定的形態和可bio降解性，水凝膠一直是TACE的候選drugs載體。用於TACE的drugs loaded微球的直徑必須大於毛細管的直徑，約為5–8μm。由於動脈內給drugs期間導管堵塞的技術問題，現有臨床實踐很難處理直徑大於1000μm的顆粒。目前，微凝膠在TACE中的應用很普遍。現在可通過商業購買許多載有drugs的水凝膠微球DC Beads、DEB和Hepapheres。迄今為止，已有許多研究報導水凝膠微球用於TACE，如聚乙烯醇（PVA）及其衍生物，澱粉，明膠及其衍生物，殼聚糖和丙烯酸酯。
圖5 TACE原理的示意圖。
儘管開發微球仍是TACE的主流，但由於形態穩定，微球無法充滿整個血管。隨著原位膠凝的優越性，由水凝膠組成的液體栓塞劑近來引起了越來越多的興趣。Golzarian組合成了纖維素衍生物和殼聚糖衍生物，它們在人體溫度下5分鐘之內完成凝膠化。Ghandehari等人合成了一種絲彈性蛋白樣蛋白（SELP）作為一種用於阻塞blood tubes的新型水凝膠材料。這種生物相容性蛋白可以在人體溫度下從快速地從液體變為固體，是潛在的bio分子平臺。隨著進一步的研究，將來，含有液體栓塞劑的水凝膠可能會逐漸取代目前用於TACE的微球。
2.3 納米凝膠
納米凝膠是尺寸小於200 nm的水凝膠。納米級尺寸確保納米凝膠可與target配體結合、增強通透性、保留效應（EPR）、特異性targeting tumour，並通過內吞作用和跨血腦屏障（BBB）的穿透性保證cell內drug傳遞。由於較大的表面面積，納米凝膠因其納米級尺寸可用於vein注射，並有較高的drugs carrying效率。局部注射納米凝膠們具有更好的滲透性，並具有刺激響應性。響應性納米凝膠可抑制drugs carring被降解。此外，可以將一些膠體穩定性差和水溶性低的無機材料裝入納米凝膠中，以進行體內cancer診斷、成像、treatment。
近年來，人們發現siRNA可用於cancer treatment，但是，純siRNA pharmacology學性質較差、穩定性低、降解和cell吸收效率差。帶正電的納米凝膠能與負電荷的nucleic acid形成穩定的複合物，可用於gene傳遞載體，通過靜電相互作用有效地穿過cell膜。同時，可以通過修飾納米凝膠表面的特定生物分子來實現控釋。Satpathy等構建了載有表皮生長因子受體（EGFR）siRNA的聚N-異丙基甲基丙烯醯胺（pNIPMAm）納米凝膠，以抑制ovarian cancer的生長。spongioblastoma（GBM）是Intracranial malignant tumor，生存率低。blood brain barrier使許多drugs難以到達腦tumour。納米凝膠是一種新型的藥物載體，由於其尺寸合適，可以有效地穿過blood brain barrier並增強針對性GBM的treat效果。出色的生物相容性和生物降解性使納米凝膠在其他納米顆粒中脫穎而出。此外，納米顆粒可被單核Consuming system(jMPS)吸收，該系統由monocyte和macrophage組成，最主要位於blood、Liver and spleen中，但納米凝膠也存在被快速清除的缺點。不過現今已開發出抑制phagocyte攝取納米凝膠的方法。例如，利用聚乙二醇化在納米凝膠表面進行簡單化學修飾，並模仿cell糖萼，阻止MPS清除納米凝膠。
3 刺激響應性凝膠的drugs釋放
智能水凝膠可以智能地響應環境的變化，從而提供遠程控制和高度針對性，其在溫度、光、pH、氧化還原電勢、磁場和超聲刺激下發生降解或構象變化。本質上，這些響應行為是由聚合物-聚合物和聚合物-溶劑的相互作用控制的。圖6總結了一些內外部刺激，它們用於設計智能水凝膠。
圖6 刺激響應的載藥水凝膠。
3.1 熱敏水凝膠
熱敏水凝膠是近年來開發的最常見的刺激響應性水凝膠。在低臨界溶液溫度（LCST）以上，凝膠處於凝膠狀態，否則以溶液狀態存在。因此，LCST在室溫和體溫之間的水凝膠非常適合注射後原位凝膠化。幾種典型的熱敏聚合物包括聚（N-異丙基丙烯醯胺）（PNIPAM）（它通過引入疏水基團在32°C時下經歷了溶膠-凝膠轉變）；一些合成的多肽，例如彈性蛋白樣多肽（ELP），其LCST可在0到100°C的溫度範圍內調節。越來越多的研究結合熱敏和其他刺激，具有多重響應性以實現更有效的遞送，如熱/ pH雙敏感水凝膠和熱磁雙敏感水凝膠。此外，水凝膠中的drug carry量也已從單一chemotherapy drugs轉變為chemotherapy drugs和其他新興treatment drugs，尤其是antibody、cell因子和gene。drugs可在不同溫度下的釋放或通過調節水凝膠的孔隙率精確控制釋放。傳遞gene的熱敏水凝膠可以在靶位點實現高度選擇性的積累並持續釋放，這兩者都是有效gene treatment的關鍵因素。熱敏水凝膠是最常見的刺激敏感性水凝膠，因為在注射或植入後不需要額外的刺激。然而，在體內進行的熱敏性水凝膠的研究少於體外。因此，水凝膠的物理和化學性質以及drugs釋放動力學仍然需要在體內進行研究，以實現更準確的控釋。
3.2光敏水凝膠
光是一種外部刺激，不僅可以促進水凝膠形成，而且可以促進drugs從水凝膠中釋放。第一個方法是水凝膠的化學結構或構象在紫外線或可見光下發生變化，從而實現溶膠-凝膠轉變以形成水凝膠（例如，在紫外光和光觸發下偶氮苯的順-反異構化）。其次是光熱療法，即將具有優異光熱轉換效率的材料封裝在水凝膠中，然後注入體內。在此過程中，光能在外部光源（通常為近紅外光）照射下轉化為熱量，以解離凝膠結構並釋放drugs，並kill tumour cells。最普遍使用的方法是具有高光熱轉換效率的材料，如金屬和非金屬化合物以及有機染料。紫外線（UV）由於其高能量而能夠快速光聚合。NIR輻射有穿透生物組織的能力，廣泛用於PTT的外部刺激。在PTT中，找到一種具有高光熱轉換效率的材料是最重要的。近年來，已經開發出許多具有高光熱轉化效率的創新材料用於cancer的光熱treatment。
光敏水凝膠因其原位光聚合、高度受控的drugs釋放和協同處理的獨特性能而受到歡迎。未來需要對水凝膠的結構進行微調，以更精確地控制其行為並實現更有效的治療。此外，將來可能會促進組合療法和新型光熱轉化材料的發展，以致水凝膠在tumour treatment領域中作為藥物遞送載體發揮更大的作用。此外，由於原位給藥，光敏水凝膠非常適合治療skin cancer，例如Melanoma and basal cell carcinoma，並且皮膚中immune cell的豐富性確保免疫療法是treat skin cancer的有效策略。因此，基於水凝膠的光敏immune therapy是未來重要的發展方向。
4 結論
理想的水凝膠材料應具有較高的生物降解能力，且在降解過程中不會形成有toxicity物質，具有較高的drugs效率，靈活的刺激相應性，雙重刺激相應性，甚至多重刺激相應性。就cancer treatment而言，原位水凝膠不僅可以充當drugs載體，還可以為多種drugs的持續輸送提供局部儲存。用於cancer immune therapy的水凝膠構建了局部immune微環境，immune cell可以攝取和呈遞antigen，並且是immune cell增殖的培養基質。與其他納米顆粒相比，納米凝膠在host中具有更好的溶解性和bio相容性，並且可以避免化學修飾後被MPS清除。納米凝膠的較大表面積可確保它們在原位注射後對刺激響應效率更高。儘管如此，從實驗階段到clinic應用仍然存在障礙。首先，drugs代動力學很容易在體外闡明，但在體內的釋放速率和代謝仍然不明確。此外，可以使用animal模型評估水凝膠的短期bio相容性，但不能保證長期bio相容性相同，尤其是對於合成的新材料。因此，應考慮對新材料進行嚴格的評估。隨著近年來tumour immune therapy的不斷發展，個性化immune therapy被越來越多的人接受，這意味著我們需要更精確地控制drugs輸送載體的性質以滿足不同患者的需求。總的來說，將來的關注在於高度受控和精確可調的水凝膠。不同水凝膠的釋放動力學和觸發條件也應進行研究。
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