INC之Rutka教授:超越前沿的恶性脑瘤纳米外科切除术

2021
06/17

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过去三十年来,新技术新材料在手术室的应用已经带来了外科手术的进步和患者预后的改善。尤其是新技术的引入极大改善了癌症患者肿瘤切除率。

  过去三十年来,新技术新材料在手术室的应用已经带来了外科手术的进步和患者预后的改善。尤其是新技术的引入极大改善了癌症患者肿瘤切除率。

  INC世界神经外科顾问团成员教授、加拿大SickKids儿童医院脑瘤研究中心主任、世界神经外科专业知名杂志《Journal of Neurosurgery》主编James T. Rutka教授在其作为第一作者的《Nanosurgical Resection of Malignant Brain Tumors: Beyond the Cutting Edge》论文中解析了其手术团队在基因工程小鼠模型中使用手持式拉曼扫描仪探测及切除四级多形性胶质母细胞瘤(GBM)的可能性。他们表明手持式拉曼扫描仪可以准确检测嵌入的金二氧化硅表面增强拉曼散射纳米粒子GBM,进而导致肿瘤完全切除。在这个视角中,我们回顾了神经外科的纳米技术,并描述如何将新系统更好地应用于手术室,通过改变纳米颗粒的大小,克服血脑屏障带来的障碍,并使纳米颗粒结合物功能化,以尽可能高的浓度达到目标。最后,通过对实际手持拉曼光谱仪设备本身的调整,人们可以设想有一天,“纳米外科”手术将成为外科医生装备的一部分。

  纳米材料与众多的生物系统过程相似,其已经被认可了一段时间,纳米技术也陆续用于临床诊断和治疗。在医学应用方面,纳米材料可被用作药物运载工具,也可作为医学影像造影剂而应用于一些诊断设备。在过去的十年中,纳米医学在外科领域的应用在数量、范围和设计上都在稳步增长。

  “纳米神经外科”一词是最初由Dunn和Black于2003年创造,其描述了纳米技术作为现有局部治疗方法的补充的巨大潜力,它可以应用于神经外科领域治疗一些包括恶性脑瘤在内的神经外科疾病患者。比如有专家建议飞秒激光系统、纳米针和纳米镊子可能是有用的技术,这可以从根本上改变神经外科的实践。

  与肺癌等其他癌症相比,恶性脑瘤虽然发生率相对较低,但因其肿瘤生长的位置及侵入式生长模式,其具有频繁复发、现代疗法效果有限、预后较差的特点。其中以发生在中枢神经系统内的多形性胶质母细胞瘤(GBM)最为典型,其预后较差,中位生存期为12-15个月(尽管有各种形式的诊断后存活率)。治疗方法一般包括神经外科切除、局部放疗和常规化疗。由于肿瘤的浸润式生长,其对局部放疗和化疗都有一定的抵抗力。

  近年来,多形性胶质母细胞瘤患者的神经外科治疗取得了进展,包括开发改进的神经外科操作系统(图 1)、植入可生物降解的聚合物和神经干细胞、对流增强递送 (CED)、化疗药物的动脉内递送,以及使用免疫疗法等等。然而,这些进步并没有令人信服地转化为提高患者生存率。因此,显然需要新的疗法和方法来帮助改善患有这种最可怕和最令人恐惧的癌症的患者的不良预后。

图1:12岁男孩右枕脑神经导航工作站的手术截图。磁共振成像 (MRI) 上的肿瘤以橙色标出。 绿线代表在线探针用于评估切除深度。在这种情况下,神经外科医生已将脑肿瘤切除到其与正常大脑无异。左上图描绘了皮肤概览和指向肿瘤的在线探针。神经影像学的进展,神经导航、术中MRI 和连续神经监测促进了人类脑肿瘤的切除,同时最大限度地减少对相邻正常脑组织的有害影响。

  实验数据表明,SERS 图像引导切除GBM 比使用手术显微镜和使用5-ALA技术衍生的肿瘤荧光切除术更有优势。相对于静态拉曼显微镜,手持拉曼扫描仪的优势在于其可操作性和克服突出的脑组织阻碍静态显微镜视野的的问题。手持拉曼扫描仪可以用更好的速度进行数据采集,且可以提供实时操作指导,并且可用于查询手术床的任何角度。相比基于荧光图像引导的切除,例如使用 5-ALA,独特的金二氧化硅SERS 纳米粒子可以产生寿命更长的光信号,因为有机染料分子可以荧光漂白。事实上,有些手持式拉曼扫描仪已经在临床实践中使用,这有利于迅速推动纳米技术进入神经外科手术室。

  1、纳米粒子设计

  纳米粒子的设计和结合可能会继续改善它们的结果并使其更无缝过渡到临床试验。虽然众所周知,2-100 nm 范围内的纳米材料可以影响细胞信号传导过程,有体外证明有最佳尺寸范围,介于40 和 50 nm,其中纳米粒子具有最大的细胞学效应(图2)。他们的数据表明有机会在体外利用给定细胞系统中纳米粒子的大小,并在体内增强它们的吸收,以获得最大的理想效果。如细胞毒性、细胞凋亡或减少扩散的癌症治疗。因此,确定治疗GBM的最佳纳米颗粒尺寸和其他癌症可能需要额外的努力来测试不同大小的实验中的纳米粒子开始临床试验之前的模型。

  2、克服血脑屏障

  在本文中报告了由Kerabeber等人的研究,在静脉内全身输送金纳米颗粒后,归纳耦合等离子体质谱(ICP-MS) 用于量化SERS治疗GBM 对纳米颗粒的吸收细胞。作者表明,只有约 0.8% 的注射剂量每克肿瘤的 SERS 粒子数组织被发现在肿瘤,这是相对较小的部分。网状内皮系统的清除可能会减少,在某种程度上,通过镀金带有聚乙烯的纳米颗粒乙二醇 (PEG)。此外,可以想象作者可能有在实验中实现了更高百分比浓度的金二氧化硅 SERS 纳米粒子GBM 肿瘤,如果他们之前已经操纵了血脑屏障静脉给药SERS纳米粒子。BBB 是一种高度选择性但包含脑毛细血管内皮的可渗透细胞基质,通过紧密连接连接的细胞与星形细胞分离的足部过程由一个明确定义的基底膜。对于穿过 BBB 的治疗剂,它们必须使用被动或主动运输机制。很久以前就知道,小的非极性亲脂剂将很容易穿过 BBB,而极性或水基化合物将需要主动传输机制。BBB的体外模型具有被开发用于测试金纳米粒子的渗透性。Etame 等人已证明大小依赖性渗透PEG 包覆的金纳米粒子,其中较小的核心尺寸金纳米粒子与较短的PEG 链长部分导致BBB 的最佳渗透(图3)。

  有常规的、非焦点的破坏 BBB 的策略,以及这些包括使用渗透压剂,例如甘露醇,递送通过动脉内到达大脑颈动脉,或使用缓激肽系统类似物,如RMP-7,通过受体介导的机制增强 BBB 的渗透性。 然而,普遍增强的渗透性的 BBB 可能有意外后果,因为 BBB 服务保护大脑免受系统性毒素。这就是为什么,最近一段时间,重点放在了焦点上破坏 BBB 以增强局部递送治疗剂到脑瘤。 一种集中破坏 BBB 的技术是使用经颅聚焦超声(FUS)。 该策略采用聚焦低频超声产生非破坏性的波浪循环微泡的振荡。机械能通过这些振荡传递改变超微结构特征BBB,导致焦点增强渗透性。

  为了增强纳米颗粒向大脑的输送,Etame 等人使用尾静脉注射微泡,其次是磁共振引导聚焦超声 (MRgFUS)在大鼠模型中以促进通过穿过 BBB 的纳米粒子和以提高大脑半球集中度(图 4)。这种方法中使用的微气泡是作为脂质包裹的全氟化碳气体球产生的直径为 1 5 μm。使用这个技术,作者表明他们可以实现 3 倍的增长,MRgFUS 治疗的大脑半球中的金纳米粒子与未经处理的对照半球。另一种潜在的技术可以用来绕过BBB,并提高大脑中的纳米粒子浓度,包括使用增强对流递送(CED),其中纳米颗粒直接注入大脑使用静水压力。这种技术已经成功地用于交付量子点和药物和抗体偶联的纳米粒子实验性脑肿瘤。

图4:磁共振引导聚焦超声破坏大鼠模型中的血脑屏障。

  3、改善交付功能化 SERS 纳米粒子缀合物

  GBM的特异性未来可能会通过在 SERS 纳米粒子表面涂上识别突出显示的抗体来改善肿瘤细胞靶向细胞表面抗原。如果是GBM,表皮生长因子受体 (EGFR) 经常发生突变和过度表达。Diaz等人进行表面涂层使用抗EGFR受体的SERS纳米颗粒(帕尼单抗),随后将 MRgFUS 递送至大鼠模型中的 GBM 细胞。这些作者能够展示尺寸为 120 nm 的功能化 SERS 纳米粒子是优先被 GBM 细胞吸收在体内,提高了肿瘤特异性靶向的明显可能性SERS 纳米粒子可能是有用的未来的方法(图 5)。

图5:使用近红外 SERS 功能化金纳米粒子对多形性胶质母细胞瘤细胞进行光学跟踪。

  他们还表明,纳米粒子可以递送至EGFR阳性肿瘤前沿或侵袭性细胞GBM 前面。作为 GBM 最经常在边缘复发肿瘤细胞之间的界面和正常的大脑,可靠和准确瞄准此类入侵使用功能化的 GBM 细胞 SERS纳米粒子可以证明对这些侵入性细胞具有细胞毒性,并避免需要切除正常大脑区域的肿瘤,尤其是在接近至关重要的神经解剖学通路时。

  对于神经外科医生来说,考虑在术中使用手持设备具有直观的吸引力,例如拉曼扫描仪,以识别残留肿瘤区域并朝着改善切除的方向发展GBM 的。一些即时实验的下一步观点将包括开发使用拉曼扫描仪的操作方法在动物模型中避免使用多聚甲醛固定大脑和体外方法作为由 Karabeber 等人描述。未来发展的另一个领域毫无疑问将提高SERS-粒子标记的灵敏度肿瘤细胞,目前,渗透深度肿瘤检测设备大约是 57 毫米。这深度可能不够检测、捕获和删除超出增强肿瘤边缘并位于正常或接近正常大脑区域的 GBM 细胞。

本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
纳米粒子,神经外科,切除术,脑瘤,新技术

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