第一作者：Shrey Sindhwani, Abdullah Muhammad Syed
通訊作者：Warren C. W. Chan
通訊單位：多倫多大學
將抗癌劑成功遞送至實體瘤對於其成功治療和診斷至關重要。眾所周知，對於工程納米材料，納米顆粒穿過腫瘤血管的中心法則是利用內皮細胞之間的間隙（內皮間隙），這些間隙是在血管生成過程中形成的。發現這些間隙的最大尺寸範圍為2,000 nm。工程師和科學家皆以此為依據設計小於該尺寸的顆粒，期望它們被動進入腫瘤並積累足夠的量。
1986年，Jain和Maeda的研究小組獨立地證明了蛋白質和染料可以在VX2腫瘤和S180腹水腫瘤模型中積累，從而確立了納米顆粒給藥的原理。1998年，Jain的研究小組將這種工程材料在腫瘤中積累的增加歸因於內皮細胞之間的間隙。證明這一點是通過將不同大小的脂質體注射到小鼠腫瘤模型中以確定累積的大小範圍，並使用透射電子顯微鏡觀察一些間隙得到的。
這些大的可滲透間隙的存在的報導，以及合成和調整納米顆粒尺寸和形狀的方法的發展，推動了癌症納米醫學領域長達三十年。但是，經過30年有限的臨床轉化，該領域再次質疑這些機制。
成果簡介：
有鑒於此，加拿大多倫多大學Warren C. W. Chan等人探討了納米顆粒腫瘤滲透的現象，並質疑了納米顆粒進入實體瘤的機制。
該課題組發現內皮間隙並不是納米顆粒進入實體腫瘤的原因。取而代之的是，發現多達97％的納米顆粒是通過內皮細胞的主動過程進入腫瘤的。
圖1. 納米顆粒的跨內皮途徑示意圖
要點1：腫瘤間隙的頻率不能解釋納米顆粒腫瘤的累積
當前的範例是泄漏的血管具有間隙以允許納米顆粒進入腫瘤。研究人員首先研究了腫瘤血管間隙的頻率。通過TEM分析，在U87-MG腫瘤血管切片中觀察到總共有21個間隙。還研究了不同的腫瘤模型（4T1乳腺癌，MMTV-PyMT乳腺癌，PDX乳腺癌（患者）），在所有類型的腫瘤中，間隙的發生頻率都很低，有313條血管中，只發現了26條間隙，而且只有7個是內皮間間隙，而其餘19個是跨細胞通道。另外，還使用三維顯微鏡對大體積的脈管系統進行評估，同樣證實了其間隙很少。
然而，通過數學模型和ICP-MS進行對比，發現腫瘤的間隙比所觀察到的納米粒子積累所需的間隙要少60倍。由於TEM分析和模擬實驗表明，腫瘤血管大部分是連續的並且沒有足夠的間隙來解釋納米顆粒腫瘤的聚集，因此研究了納米顆粒外滲的其他機制。
圖2. 腫瘤間隙的頻率表征
要點2：納米顆粒可以通過跨內皮途徑進入腫瘤
接下來，研究人員探索了納米顆粒外滲的跨內皮途徑。轉胞吞作用是一種代謝活躍的過程，需要內皮細胞重新排列其細胞骨架和細胞膜。這包括形成可以吸收納米顆粒的囊泡、形成隔膜或通過細胞質運輸。
研究人員再次通過TEM和三維顯微鏡分析跨內皮途徑。分析得出兩個結論：(1) 間隙很少沿著腫瘤血管出現。(2)納米顆粒可以通過跨內皮途徑利用主動轉運進入實體瘤。由此產生疑問：究竟是哪種機制（間隙的被動轉運，還是跨內皮途徑的主動轉運）是進入腫瘤的主要方式？
圖3.通過跨內皮途徑進入腫瘤
要點3. 跨內皮途徑是納米顆粒滲入腫瘤的主要機制
（1）建立模型
為了探索哪種機制為主導地位，研究人員通過開發一個稱為Zombie的模型，保留了小鼠的血管結構。該模型通過抑制跨內皮主動轉運過程而保留間隙被動轉運，從而探索何者為主導機制。
模型通過以下結果進行了驗證：（1）在肌肉和皮膚等組織中未產生新的間隙；（2）腎間隙保持其大小；（3）肝竇內皮細胞間隙保持開放狀態，可進行納米顆粒積累。
圖4. 建立ZombieZombie模型
（2）實驗驗證
研究人員通過使用ICP-MS、TEM和三維成像在活體和Zombie模型中，對納米顆粒腫瘤累積進行探究。結果表明：活體對照組的腫瘤比間隙組的要高，只有少部分納米粒子是通過間隙被動輸送到腫瘤部位，僅占3-25%（有大小依賴性）。因此，納米顆粒進入的主要機制是跨內皮。
圖5. 實驗驗證
（3）相關性分析
研究人員對外滲的納米粒子的位置與主動跨內皮或被動間隙為基礎的運輸途徑之間的相關性進行測試。通過測量滲出的納米顆粒的數量和血管特徵（緊密連接、膜孔、囊泡與內皮間隙和跨細胞通道），發現：外滲的AuNPs與緊密連接的相關性最強，該區域是管腔的最薄部分，這可能允許通過形成囊泡和膜孔的內陷進行運輸。而納米顆粒外滲與任何類型的間隙均不顯著相關。因此，該實驗結果也支持跨內皮途徑作為納米顆粒滲入腫瘤的主要途徑。
另外，研究人員還使用活體顯微鏡觀察了納米顆粒外滲的動態過程。觀察到納米與內皮細胞之間共定位的信號點，研究人員將其歸因於在內皮細胞附近發生的胞吞作用的滲透的不同階段，如攝取，囊泡定位和進入腫瘤間質。
圖6.相關性分析
要點4：癌症患者的腫瘤血管中也很少出現間隙
圖7.患者樣本分析
小結：
綜上所述，研究人員發現納米顆粒運輸的主要機制是一個主動過程，而不是被動過程。這些結果挑戰了我們目前開發癌症納米藥物的理論基礎，表明了解這些主動的途徑將開啟增強腫瘤積聚的策略。
這可能會導致辯論、討論和研究，其目的應在於完善和操縱特定的主動運輸機制。
作者概述了今後的5個研究領域：
（1）需要確定驅動納米顆粒向實體瘤運輸的分子機制；
（2）需要了解表面吸附蛋白在納米顆粒與腫瘤內皮細胞相互作用中的作用;
（3）可以設計策略來操縱腫瘤內皮以增強納米顆粒的跨內皮運輸；
（4）需要闡明不同的腫瘤血管類型和不同的跨內皮途徑相對於不同的納米顆粒大小、形狀和表面化學在外滲中的作用；
（5）還需要了解免疫細胞和其他產生瞬時滲透性的細胞的作用。
這些研究將填補我們對納米顆粒進入腫瘤的理解中的空白，並能夠制定策略來克服癌症納米藥物臨床轉化的不足。
參考文獻：
Sindhwani, S., Syed, A.M., Ngai, J. et al. The entry of nanoparticles into solid tumours. Nat. Mater. (2020)
doi:10.1038/s41563-019-0566-2
https://doi.org/10.1038/s41563-019-0566-2
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