螺旋藻餅干、小球藻保健品、微藻生物燃料……微藻，是一種自然界中可以進(jìn)行光合作用的單細(xì)胞微生物，在食品、保健品、生物燃料等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，微藻還多了一項(xiàng)新的用途——“種”在腫瘤細(xì)胞里治療癌癥。
近日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院、浙江大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院周民團(tuán)隊(duì)與孫毅團(tuán)隊(duì)合作，在工程化活性微藻的體內(nèi)癌癥治療應(yīng)用上取得新進(jìn)展。研究表明，微藻介導(dǎo)的光合作用在腫瘤原位產(chǎn)生氧氣，可改善腫瘤的低氧環(huán)境，提升腫瘤放射治療效果。相關(guān)論文于5月20日發(fā)表在《科學(xué)》雜志旗下的綜合性期刊《科學(xué)進(jìn)展》上，并被該期刊選為“高光圖片”。
缺氧
腫瘤細(xì)胞肆虐的幫兇
光照下的工程化微藻改善腫瘤乏氧微環(huán)境。
腫瘤包括良性腫瘤與惡性腫瘤，后者便是我們常說(shuō)的癌癥。目前，癌癥治療方式主要有手術(shù)治療、化學(xué)治療與放射治療。放射治療是利用放射線治療腫瘤的一種局部治療方法，在臨床上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，是當(dāng)前腫瘤綜合治療的重要手段，參與了約70%腫瘤的臨床治療，如肺癌、鼻咽癌、腸癌等。
當(dāng)缺氧時(shí)，健康細(xì)胞生長(zhǎng)會(huì)受到抑制，但令人驚奇的是，缺氧卻是90%實(shí)體瘤中廣泛存在的一個(gè)特征。絕大多數(shù)的癌癥，其腫瘤細(xì)胞向外擴(kuò)張過(guò)程中，氧消耗量會(huì)超過(guò)周圍的血液供應(yīng)，中心區(qū)域的細(xì)胞處于乏氧狀態(tài)。這些細(xì)胞雖然缺氧，但不會(huì)死去，而是呈現(xiàn)一種“冬眠”狀態(tài)。
此時(shí)，放射治療對(duì)腫瘤發(fā)起猛攻，利用放射線殺死了腫瘤外圍的一大圈細(xì)胞，但對(duì)中間“冬眠”的乏氧細(xì)胞卻沒(méi)什么殺傷力。這是由于乏氧細(xì)胞具有獨(dú)特的生物學(xué)特性，降低了腫瘤的放射敏感性，增加了對(duì)放射化療的抗拒性。乏氧細(xì)胞平時(shí)生長(zhǎng)非常緩慢，由于外圍細(xì)胞的凋亡，它反而重獲氧氣，開始復(fù)蘇并生長(zhǎng)，并且比之前的細(xì)胞更頑強(qiáng)。
如此肆虐的乏氧細(xì)胞，成為腫瘤復(fù)發(fā)、侵襲、轉(zhuǎn)移的重要原因，改善腫瘤乏氧區(qū)域的氧合濃度成為提高腫瘤治療效果的一個(gè)重要途徑。多年來(lái)，人們對(duì)這一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)不斷深入，嘗試解決的方法也越來(lái)越多。
周民團(tuán)隊(duì)一直在關(guān)注腫瘤治療方面的研究，他介紹，目前臨床上對(duì)乏氧腫瘤治療多采取高壓氧法，就是將患者置于高壓氧艙內(nèi)呼吸高濃度氧或者純氧進(jìn)行治療。然而，高壓氧治療并不能為接受治療的腫瘤部位靶向供氧，吸氧過(guò)多還會(huì)對(duì)身體其他器官造成氧中毒、氣壓傷、減壓病等多種副作用，治療方案不合理甚至可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。
還有專家嘗試將化療藥物通過(guò)納米機(jī)器人靶向輸送至腫瘤組織，在乏氧區(qū)域生產(chǎn)氧氣，增強(qiáng)放射治療功效。這種方法的缺點(diǎn)，一是靶向輸送效率不高，二是藥物毒性大，代謝慢，在肝臟、脾臟和腎臟等器官中堆積時(shí)可能引起中毒等副作用，三是成本高，難以量產(chǎn)。
那么，有沒(méi)有一種安全無(wú)毒、治療效果好，且可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的新方法呢？周民團(tuán)隊(duì)一直在尋找答案。2016年底，他有了一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)。
微藻
“種”在細(xì)胞里的“超級(jí)制氧機(jī)”
紅細(xì)胞膜工程化前后小球藻形貌。
微藻是一種在顯微鏡下才能辨別其形態(tài)的微小藻類群體，它并不是一種藻，而是一個(gè)總稱，包括藍(lán)藻門、綠藻門、金藻門和紅藻門4個(gè)藻門，我們經(jīng)常聽說(shuō)的螺旋藻、小球藻等就屬于微藻。
微藻在陸地和海洋都有廣泛分布，可直接利用陽(yáng)光、二氧化碳和含氮、磷等元素的簡(jiǎn)單營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)快速生長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)豐富，油脂量高，光合利用度高。
“我們選擇了最常見(jiàn)的小球藻做實(shí)驗(yàn)，通常情況下肉眼看不見(jiàn)單個(gè)小球藻，需借助顯微鏡?！敝苊裾f(shuō)，2016年底的一次校內(nèi)跨學(xué)科交流中，浙江大學(xué)農(nóng)學(xué)院的專家學(xué)者提及該院正在養(yǎng)殖的微藻，可以提取里面的物質(zhì)做成營(yíng)養(yǎng)品、保健品、護(hù)膚品等。當(dāng)說(shuō)到微藻具有超強(qiáng)的光合作用時(shí)，他忽然想到，是否可以利用微藻這臺(tái)“超級(jí)制氧機(jī)”生產(chǎn)氧氣，調(diào)節(jié)腫瘤乏氧區(qū)域呢？
周民團(tuán)隊(duì)和孫毅團(tuán)隊(duì)隨即進(jìn)行了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，將小球藻進(jìn)行工程化改造后，經(jīng)尾靜脈注射進(jìn)被移植了腫瘤的小鼠體內(nèi)，保持紅光照射，兩小時(shí)后進(jìn)行X射線放療。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)料的一樣：在光照下，微藻在腫瘤乏氧區(qū)域產(chǎn)生氧氣，顯著改善了腫瘤的乏氧環(huán)境，放射治療功效明顯提升。
同時(shí)，在經(jīng)過(guò)X射線放射治療后，小球藻內(nèi)部的葉綠素被釋放出來(lái)，在激光（光動(dòng)力治療方法）激發(fā)下產(chǎn)生活性氧，借助光敏作用，提高放療治療效率。最后，工程化的小球藻，包括葉綠素等，通過(guò)肝腎代謝，快速有效排出體外。
微藻是如何通過(guò)工程化改造后“種”到腫瘤乏氧區(qū)域呢？專家們的方法是：為這個(gè)看不見(jiàn)的微藻“穿”上了紅細(xì)胞膜“外套”。
每個(gè)人身上都有紅細(xì)胞，它可以在人體內(nèi)自由穿行，但微藻不行。免疫系統(tǒng)是人體內(nèi)天然的防御屏障，能夠識(shí)別外源入侵物，如病毒和細(xì)菌、微小生物等，執(zhí)行免疫清除任務(wù)，保障人體正常運(yùn)轉(zhuǎn)。微藻要想“騙”過(guò)免疫系統(tǒng)進(jìn)入人體，就得通過(guò)包裹紅細(xì)胞膜的方法“偽裝”成紅細(xì)胞。
周民團(tuán)隊(duì)將紅細(xì)胞內(nèi)部抽干，留下細(xì)胞膜“外套”，鋪在特制儀器的“篩子”上，小球藻在水壓的作用下從“篩子”一端高速穿過(guò)，從另一端出來(lái)時(shí)表面就包裹上了紅細(xì)胞膜?！皞窝b”成功的小球藻能夠顯著降低免疫細(xì)胞的免疫吞噬和巨噬細(xì)胞的清除作用，進(jìn)入人體后隨著血液循環(huán)系統(tǒng)流至全身各個(gè)部位。
腫瘤在體內(nèi)，光線在體外，微藻怎么照到光呢？周民介紹說(shuō)，對(duì)于乳腺腫瘤，局部體外照光即可滿足微藻對(duì)光的需求。對(duì)于其他腫瘤，比如腸癌、肝癌，可以通過(guò)超聲引導(dǎo)或者DSA影像引導(dǎo)介入方法把光纖送至腫瘤區(qū)域。
實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)采用熒光成像方式，可以動(dòng)態(tài)觀測(cè)到小球藻在腫瘤部位的攝取量，進(jìn)而選擇最佳放療時(shí)間；采用光聲影像，對(duì)小球藻在腫瘤組織的血氧含量的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行觀察，實(shí)現(xiàn)了腫瘤乏氧區(qū)域的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；同時(shí)，小球藻中葉綠素具有的熒光特性，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)熒光成像功能。
未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景豐富
腫瘤組織（紅色）中的工程化微藻（綠色）。
安全性，往往是研發(fā)一項(xiàng)新技術(shù)最先考慮的事情，其次，才是有效性。微藻“種”進(jìn)腫瘤細(xì)胞的安全性如何呢？
“工程化的微藻沒(méi)有繁殖能力，不會(huì)生長(zhǎng)，也沒(méi)有毒性，它們會(huì)在體內(nèi)自行降解，并被排出體外?！敝苊裾f(shuō)，微藻已在生物燃料、食品、保健品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)考察了其短期毒理性能，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有明顯毒性及免疫誘導(dǎo)作用。下一步，他們將聯(lián)合浙大藥物安全性評(píng)價(jià)中心，探尋此治療體系的體內(nèi)耐受劑量、長(zhǎng)期毒性，以及遺傳毒性等系統(tǒng)性研究。
周民介紹，此項(xiàng)研究成果的優(yōu)勢(shì)是，小球藻為無(wú)明顯毒副作用的天然活性生物，原料純天然，具有較好的生物安全性和可規(guī)模化生產(chǎn)的前景，且制造成本極低，可以大量生產(chǎn)。比如，購(gòu)買一瓶500mL的小球藻液只需要200元，其中大約有20億個(gè)小球藻。經(jīng)過(guò)估算，100元的原料可以應(yīng)用于上百名病人的劑量。
目前，該項(xiàng)研究已完成小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)備進(jìn)入大動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，同時(shí)，已在浙江省藥品監(jiān)督管理局進(jìn)行安全性試驗(yàn)。周民表示，該項(xiàng)目開展臨床試驗(yàn)前，還需通過(guò)國(guó)家藥監(jiān)局等部門的嚴(yán)格審批，進(jìn)行毒性和有效性等全面系統(tǒng)的研究，提供大量有效資料給相關(guān)部門，最后才能應(yīng)用于臨床。
“我們已與浙大二院腫瘤外科、浙江大學(xué)腫瘤研究所開展合作，前期會(huì)先集中精力開展胃癌和腸癌方面的臨床轉(zhuǎn)化推動(dòng)，我們期望通過(guò)多方面努力，盡快開展臨床試驗(yàn)。如果順利的話，有需求的患者有望4至5年后享受到這項(xiàng)科研成果。”周民說(shuō)。
在談及該項(xiàng)研究未來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，周民表示，除了用于癌癥治療以外，未來(lái)，與細(xì)胞缺氧相關(guān)的疾病也都可以展開研究與應(yīng)用。比如腦梗，部分腦組織缺氧導(dǎo)致的腦梗死有一段黃金搶救時(shí)間，在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)如果能夠繼續(xù)為腦組織提供足夠的養(yǎng)分，腦梗是有可能恢復(fù)的，心梗也是同樣的道理。
據(jù)了解，浙大多家附屬醫(yī)院有較強(qiáng)的腫瘤基礎(chǔ)研究和臨床治療實(shí)力，并對(duì)臨床轉(zhuǎn)化具有強(qiáng)烈的合作愿望和支持力度，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)此項(xiàng)目的臨床轉(zhuǎn)化較有信心。該項(xiàng)研究工作得到了浙江大學(xué)眼科中心、惡性腫瘤預(yù)警與干預(yù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持，以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)等項(xiàng)目資助。
