主要作者与研究机构
本研究由 Jun Ma（德克萨斯A&M大学生物医学工程系）、Ruochen Liu（德克萨斯A&M大学材料科学与工程系）、Ibrahim Chamseddine（麻省总医院布里格姆癌症研究所与哈佛医学院放射肿瘤科）、Jingjing Qiu（德克萨斯A&M大学机械工程系）以及通讯作者 Shiren Wang（德克萨斯A&M大学生物医学工程系、材料科学与工程系、工业与系统工程系）共同完成。该研究成果发表于 Macromolecular Bioscience 期刊，2026年第26卷，文章编号e70267。
研究背景
胶质母细胞瘤（glioblastoma multiforme, GBM）是最恶性的脑肿瘤，其5年生存率极低，仅为6.8%，中位生存期不足16个月。导致这一不良预后的关键因素包括治疗耐药性、高复发率、血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）的阻挡，以及治疗药物在肿瘤组织内的穿透不足。值得注意的是，从GBM血管到缺氧区域的距离可达约230 µm（平均125 µm），远超大多数被动扩散药物载体所能达到的穿透深度。因此，实现治疗药物向肿瘤深部区域的高效递送对于改善GBM的治疗效果至关重要。
在被动扩散递送系统中，穿透深度与纳米载体尺寸密切相关。尽管合理设计纳米载体可以改善肿瘤穿透，但大多数纳米载体仍主要依赖被动扩散，通常只能穿透距肿瘤血管不到100 µm的深度。近年来，自驱动微马达/纳米马达作为能够靶向肿瘤并增强穿透深度的药物载体而受到关注。其中，气体驱动马达能够提供足够的推进力和更快的运动速度。特别是利用GBM肿瘤微环境中过氧化氢（H₂O₂）水平升高的特点，通过过氧化氢酶或纳米催化剂分解H₂O₂产生氧气（O₂）以实现推进的策略颇具吸引力。然而，现有的气体驱动马达尺寸较大，不利于肿瘤蓄积和穿越血脑屏障，且通常需要复杂的化学偶联或细胞膜包覆程序。
针对上述挑战，本研究设计并合成了一种超小型氧气推进纳米马达，由人重链铁蛋白（human heavy-chain ferritin, HFn）和纳米氧化铈（CeO₂）组成。HFn纳米笼具有穿越血脑屏障和靶向GBM的能力，其机制是利用脑微血管内皮细胞和GBM细胞上转铁蛋白受体-1（transferrin receptor-1, TfR-1）的过表达实现高效的BBB转胞吞和肿瘤靶向递送。CeO₂组分则催化肿瘤微环境中的H₂O₂分解，在CeO₂所在侧产生O₂气泡，形成不对称推进力，驱动纳米马达沿H₂O₂梯度定向运动。
研究流程与实验方法
本研究包含多个实验环节。首先进行了纳米马达的合成与表征。研究者采用透射电子显微镜（TEM）观察了HFn的形貌（直径约10 nm的球形结构）、超小CeO₂（直径约2 nm）以及HFn@CeO₂复合物（约18 nm）。原子力显微镜（AFM）进一步确认了HFn@CeO₂的尺寸。紫外-可见吸收光谱显示了HFn在280 nm和CeO₂在约310 nm的特征峰，证实了纳米马达的成功合成。此外，利用Amplex Red过氧化氢检测试剂盒和肉眼观察验证了合成纳米马达的过氧化氢酶活性，结果显示H₂O₂消耗量随纳米马达浓度增加而增加，并观察到可见的氧气泡形成。
其次进行了细胞摄取实验。在人类脑微血管内皮细胞（HBMECs）和U87细胞中研究了HFn@CeO₂纳米颗粒的细胞内分布。经过4小时孵育后，绿色荧光标记的纳米马达在HBMECs的细胞质和核区被观察到，而在U87细胞中纳米马达主要聚集在溶酶体中，与红色荧光标记的溶酶体共定位（Pearson系数为0.85）。这一结果表明HFn@CeO₂表现出与HFn相似的细胞内化模式，可能保留其穿越血脑屏障的能力。
第三，通过体外Transwell血脑屏障模型评估了纳米马达的BBB穿越能力和肿瘤球蓄积。HBMECs被接种在Transwell插入层上形成完整的内皮单层（通过紧密连接蛋白ZO-1的免疫荧光染色确认）。加入AF488标记的HFn@CeO₂后，2小时内17.7%±6.8%的纳米马达穿越了屏障，8小时时达到48.1%±3.0%。统计分析表明CeO₂的偶联并未显著改变HFn的BBB穿越能力。在Transwell下室放置U87肿瘤球，过夜孵育后观察到HFn@CeO₂的荧光出现在肿瘤球内，证实纳米马达成功穿越内皮单层并在肿瘤球中蓄积。
第四，进行了趋化行为评价。在培养皿中使用预浸泡H₂O₂的琼脂糖柱作为局部H₂O₂源，纳米马达从培养皿中心加入。15分钟后观察到纳米马达明显向H₂O₂源迁移，表明其沿H₂O₂梯度定向运动。在µ-slide趋化装置中，U87细胞与Matrigel混合后注入左腔室，AF488标记的纳米颗粒溶液加入右腔室，过夜孵育后观察到纳米马达从右腔室向左腔室的U87细胞迁移，而HFn的扩散则十分有限，进一步证实了HFn@CeO₂对肿瘤细胞的趋化行为。
第五，在肿瘤球中评估了纳米马达的穿透与分布。使用直径大于400 µm的U87肿瘤球，从底部到顶部扫描发现HFn纳米载体在中央切片的分布有限，穿透深度为91.7±17.1 µm，主要聚集于外周。相比之下，HFn@CeO₂纳米马达在整个肿瘤球核心均有良好分布，线剖面分析确认了其更深的穿透，更多荧光集中在肿瘤球中心。
第六，制备了载阿霉素（doxorubicin, DOX）的纳米载体。HFn的DOX载药效率为38.5%，载药容量为10.4%；HFn@CeO₂-DOX的载药效率为19.0%，载药容量为5.4%。CeO₂偶联后DOX含量下降可能归因于偶联和纯化步骤中的部分药物损失（DOX在CeO₂偶联前已载入HFn）。在肿瘤球内DOX分布评估中，游离DOX和HFn-DOX主要聚集在肿瘤球外围，穿透深度分别为19.3±6.8 µm和48.8±15.1 µm；而HFn@CeO₂-DOX在肿瘤球核心的分布和蓄积显著更深，穿透深度达到125.4±11.2 µm。
第七，进行了体外抗肿瘤实验。在GFP-U87肿瘤球中，空载HFn和HFn@CeO₂纳米载体在7天处理后未显示细胞毒性。HFn@CeO₂-DOX展现出显著增强的抗肿瘤活性，IC₅₀值为0.33 µM，而HFn-DOX为1.13 µM，游离DOX为1.75 µM。Extra sum-of-squares F检验显示三组间IC₅₀值存在显著差异（F(2,64)=5.905，p=0.0044）。
主要结果与结论
本研究成功合成了一种基于计算设计框架的超小型趋化纳米马达，由靶向蛋白HFn和催化剂CeO₂组成。该纳米马达在体外趋化实验中表现出主动向H₂O₂和肿瘤细胞迁移的能力。在Transwell血脑屏障模型中，纳米马达有效穿越屏障，保留了HFn的BBB穿越能力，同时引入了基于H₂O₂的推进能力。增强的体外抗肿瘤功效体现在其低IC₅₀值上，比HFn-DOX低3.4倍，比游离DOX低4.3倍，这可能归因于其深部穿透能力。总体而言，这些发现建立了一个趋化纳米马达平台，整合了建模引导设计、模拟BBB转运和GBM肿瘤球深部穿透，提供了体外概念验证，并为未来脑肿瘤模型的体内验证奠定了基础。
研究亮点
本研究的创新性体现在多个层面：利用超小尺寸（约18 nm）的纳米马达克服了传统气体驱动马达尺寸过大不利于肿瘤蓄积和BBB穿越的局限；HFn组分天然具备TfR-1介导的BBB穿越和GBM靶向能力，无需额外复杂的化学偶联或细胞膜包覆；CeO₂催化H₂O₂分解产生O₂气泡驱动，利用了GBM肿瘤微环境H₂O₂水平升高的内源性特征，实现了自驱动深部穿透。在直径大于400 µm的大肿瘤球模型中，HFn@CeO₂纳米马达的穿透深度显著优于被动扩散的HFn纳米载体，成功到达肿瘤球核心区域，这对于克服GBM中因肿瘤组织结构致密和间质液压力升高导致的药物递送障碍具有重要意义。
其他价值
该研究还关注了CeO₂在脑微环境中的生物安全性问题。先前研究表明氧化铈纳米颗粒在神经系统应用中具有抗氧化和神经保护特性，在神经退行性疾病治疗相关剂量下毒性证据甚少，支持CeO₂基纳米材料的潜在神经生物相容性。此外，纳米马达的载药能力（HFn-DOX载药效率38.5%）为后续治疗应用提供了药物装载的可行性基础。该平台将计算建模指导的纳米颗粒设计、BBB模拟转运和深部穿透整合为一体，为GBM纳米医学的发展提供了有前景的研究方向。