膀胱癌是一種全球常見(jiàn)的惡性腫瘤疾病，每年有超過(guò)42萬(wàn)人被診斷。其中約70%的患者在初次就診時(shí)被歸類為非肌層浸潤(rùn)性膀胱癌(NMIBC)。對(duì)于這些NMIBC患者，標(biāo)準(zhǔn)治療方案通常是在經(jīng)尿道膀胱腫瘤切除術(shù)后，根據(jù)患者的復(fù)發(fā)和進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)接受相應(yīng)的輔助治療。目前，卡介苗(BCG)膀胱內(nèi)免疫治療被公認(rèn)為是中高風(fēng)險(xiǎn)NMIBC患者的金標(biāo)準(zhǔn)治療方案，其通過(guò)觸發(fā)T輔助細(xì)胞1型(TH1)免疫反應(yīng)來(lái)顯著降低腫瘤復(fù)發(fā)和進(jìn)展的風(fēng)險(xiǎn)。在免疫激活過(guò)程中，BCG主要被抗原呈遞細(xì)胞(APCs)攝取，隨后APCs將抗原呈遞給CD4+和CD8+ T淋巴細(xì)胞并激活這些細(xì)胞；激活的T淋巴細(xì)胞上調(diào)分泌白細(xì)胞介素-2(IL-2)、干擾素-γ(IFN-γ)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等關(guān)鍵細(xì)胞因子，促進(jìn)T淋巴細(xì)胞分化為細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞(CTLs)，通過(guò)CTLs識(shí)別并攻擊腫瘤細(xì)胞實(shí)現(xiàn)腫瘤消除。這種免疫機(jī)制使BCG成為NMIBC治療中不可或缺的重要手段。

然而B(niǎo)CG膀胱內(nèi)免疫治療面臨一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：BCG在膀胱內(nèi)的持續(xù)時(shí)間直接影響免疫反應(yīng)的強(qiáng)度和持久性，但在傳統(tǒng)治療中，BCG會(huì)隨著患者排尿在灌注后約2小時(shí)迅速被排出體外，大大縮短了其在膀胱內(nèi)的有效作用時(shí)間，從而削弱了治療效果。為解決這一問(wèn)題，目前的研究策略主要包括粘附性水凝膠載體和外部磁場(chǎng)響應(yīng)系統(tǒng)，但這些方法各有局限。粘附于膀胱上皮的水凝膠可能干擾膀胱的正常生理功能，導(dǎo)致排尿異常；而依賴外部磁場(chǎng)的系統(tǒng)則對(duì)設(shè)備要求高，應(yīng)用場(chǎng)景受限，難以在臨床實(shí)踐中廣泛推廣。因此開(kāi)發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)BCG在膀胱內(nèi)長(zhǎng)期滯留且無(wú)需復(fù)雜外部設(shè)備的新型遞送系統(tǒng)，對(duì)于提高膀胱癌免疫治療效果具有重要的臨床意義。

針對(duì)上述問(wèn)題，由中山大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技ZEM系列臺(tái)式掃描電鏡進(jìn)行了系統(tǒng)研究，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于浮動(dòng)空氣微氣泡的藥物遞送系統(tǒng)，通過(guò)將卡介苗(BCG)封裝在微氣泡中實(shí)現(xiàn)其在膀胱內(nèi)的長(zhǎng)期滯留和持續(xù)釋放，從而顯著增強(qiáng)了膀胱癌免疫治療效果，在原位膀胱癌SD大鼠模型中表現(xiàn)出比傳統(tǒng)BCG治療更持久的免疫反應(yīng)和更優(yōu)的抗腫瘤效果。相關(guān)成果以“Prolonged Release of Bacillus Calmette–Guérin by Floating Microbubbles to Enhance Intravesical Immunotherapy for Bladder Cancer”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。

本研究聚焦于解決膀胱癌免疫治療中的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題——卡介苗(BCG)在膀胱內(nèi)滯留時(shí)間過(guò)短的挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)了一種基于浮動(dòng)空氣微氣泡的藥物遞送系統(tǒng)(BCG-MBs)，通過(guò)將BCG封裝在特制的微氣泡中，使其能夠穩(wěn)定漂浮在尿液表面而不隨排尿被迅速排出，從而實(shí)現(xiàn)BCG在膀胱內(nèi)的長(zhǎng)期滯留和持續(xù)釋放。這種微氣泡系統(tǒng)采用乳化、交聯(lián)和冷凍干燥的策略制備，形成具有三層結(jié)構(gòu)(內(nèi)層空氣核心、中間溶液層和外層殼)的微球，其平均尺寸為102微米，內(nèi)部空氣核心直徑約85微米，平均密度僅為509.82 kg/m3，遠(yuǎn)低于尿液密度，確保了其在膀胱內(nèi)的漂浮特性。這一設(shè)計(jì)巧妙利用了物理浮力原理，避免了傳統(tǒng)粘附性水凝膠可能干擾膀胱正常生理功能的缺陷，也無(wú)需依賴復(fù)雜的外部磁場(chǎng)設(shè)備。

圖 BCG-MBs用于膀胱癌（BC）膀胱內(nèi)免疫治療的應(yīng)用示意圖

在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多種技術(shù)手段全面評(píng)估了BCG-MBs的性能。體外實(shí)驗(yàn)表明，BCG-MBs在尿液中表現(xiàn)出優(yōu)異的漂浮能力，24小時(shí)后仍有超過(guò)50%的微氣泡保持漂浮狀態(tài)；而在模擬排尿的條件下，BCG-MBs能夠持續(xù)釋放BCG，維持治療有效濃度達(dá)24小時(shí)以上。更為重要的是，在原位膀胱癌SD大鼠模型中，與傳統(tǒng)BCG治療相比，BCG-MBs治療組展現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的治療效果：不僅腫瘤生長(zhǎng)受到更有效的抑制，還誘導(dǎo)了更持久的免疫反應(yīng)，表現(xiàn)為IL-2等關(guān)鍵細(xì)胞因子水平的持續(xù)升高，同時(shí)未觀察到明顯的系統(tǒng)毒性。這些結(jié)果充分證明，通過(guò)延長(zhǎng)BCG在膀胱內(nèi)的作用時(shí)間，可以顯著提升免疫治療的療效。

圖 BCG-MBs的制備與表征

臺(tái)式掃描電鏡在本研究中發(fā)揮了關(guān)鍵的表征作用，為微氣泡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證提供了直觀而精確的證據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)使用澤攸科技ZEM18臺(tái)式掃描電鏡對(duì)凍干后的BCG-MBs進(jìn)行金濺射鍍膜處理后，在不同放大倍數(shù)下觀察其表面形態(tài)，清晰地展示了微氣泡規(guī)則的球形結(jié)構(gòu)以及BCG在微氣泡表面的不規(guī)則分布狀態(tài)。這一表征不僅確認(rèn)了微氣泡制備工藝的成功，還直觀揭示了BCG在微氣泡中的物理分布特征，為理解藥物釋放機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。掃描電鏡圖像作為重要的形態(tài)學(xué)證據(jù)，有力支持了后續(xù)對(duì)微氣泡浮力特性、藥物釋放行為及生物效應(yīng)的分析，是連接材料設(shè)計(jì)與功能驗(yàn)證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖 在尿液收集管和SD大鼠膀胱中表征BCG-MBs的漂浮和滯留特性

這項(xiàng)研究的創(chuàng)新之處在于巧妙利用微氣泡的物理特性解決了臨床治療中的實(shí)際問(wèn)題，為膀胱癌免疫治療提供了新思路。BCG-MBs系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了BCG在膀胱內(nèi)的長(zhǎng)期滯留和持續(xù)釋放，還保持了BCG的生物活性，通過(guò)誘導(dǎo)更持久的TH1型免疫反應(yīng)顯著提升了抗腫瘤效果。值得注意的是，該平臺(tái)技術(shù)具有良好的拓展性，不僅可以用于BCG的遞送，還能夠封裝多種治療劑，如化療藥物、免疫調(diào)節(jié)核酸或工程化外泌體，為膀胱癌的聯(lián)合治療提供了可能。此外通過(guò)功能化設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)還可發(fā)展為智能響應(yīng)型藥物遞送系統(tǒng)，進(jìn)一步拓展至其他管腔器官疾病的治療領(lǐng)域，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

澤攸科技ZEM系列臺(tái)式掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的科研設(shè)備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號(hào)探測(cè)器選擇，適用于形貌觀測(cè)和成分分析，還能適配多種原位實(shí)驗(yàn)需求。該設(shè)備對(duì)安裝環(huán)境要求低，不挑樓層，操作簡(jiǎn)單，非專業(yè)人士也能快速上手，且購(gòu)買及維護(hù)成本均低于落地式掃描電鏡，現(xiàn)已成為許多高校、研究所和企業(yè)的選擇設(shè)備之一。