本文报告了一项关于术后黑色素瘤治疗的新型治疗性水凝胶的研究。该研究由西南交通大学医学院生物医学工程研究所及材料科学与工程学院先进材料技术教育部重点实验室的 Shuiling Chen、Yang Luo、Yang He、Ming Li、Yongjian Liu、Xishen Zhou、Jianwen Hou 和 Shaobing Zhou 等人完成，于2024年发表在 Nature Communications 上，文章编号为15:814，DOI 为 10.1038/s41467-024-45072-x。

这项研究属于生物医学工程与肿瘤治疗领域，旨在解决恶性黑色素瘤术后由于缺氧微环境导致的肿瘤复发、转移和伤口愈合延迟等临床难题。手术虽然是最主要的黑色素瘤治疗手段，但不完全切除常引发肿瘤复发和远处转移，同时术后大面积皮肤缺损的伤口愈合缓慢严重影响患者生存质量。肿瘤和伤口组织中普遍存在的缺氧不仅限制了光动力疗法（photodynamic therapy, PDT）的疗效，还激活缺氧诱导因子1α（hypoxia-inducible factor 1α, HIF-1α）信号通路，促进肿瘤转移并抑制伤口愈合。因此，开发能够长效供氧的治疗系统以同时抑制复发转移和促进创面修复具有重要意义。本研究的核心是构建了一种可喷涂的治疗性水凝胶（命名为 HIL@Z/P/H），其内部同时包载肿瘤靶向纳米药物和光合蓝藻（Synechococcus elongatus PCC 7942），通过光控级联反应和持续光合产氧实现术后肿瘤微环境与伤口微环境的双重调控。

研究流程可分为以下几个主要环节。首先，通过一锅自组装策略将吲哚菁绿（indocyanine green, ICG）和 L-精氨酸（L-arginine, L-Arg）原位封装到沸石咪唑酯骨架-8（zeolitic imidazolate framework-8, ZIF-8）中，再包覆透明质酸（hyaluronic acid, HA）获得肿瘤靶向纳米药物 HIL@Z。表征结果显示纳米粒子为球形，水合直径约218 nm，zeta 电位为−22.3 mV。紫外-可见光谱、傅里叶变换红外光谱和 X 射线衍射均证实了药物和靶向分子的成功负载。在 pH 5.5 条件下12 h 内 ICG 释放率可达79.8%，而 pH 7.4 时仅6.8%，说明该纳米药物具备酸响应性。在 808 nm 近红外光照射下，HIL@Z 可有效产生单线态氧，并进一步催化 L-Arg 生成一氧化氮（nitric oxide, NO），NO 与活性氧（reactive oxygen species, ROS）反应产生毒性更强的过氧亚硝酸盐（peroxynitrite, ONOO⁻）。这些活性物种可破坏肿瘤细胞内氧化还原稳态。

第二步是构建可喷涂的 HIL@Z/P/H 水凝胶。将 HIL@Z 纳米药物和 PCC 7942 蓝藻均匀分散在海藻酸钠溶液中，与氯化钙溶液同时喷涂即可原位快速凝胶化。流变学测试与扫描电镜确认水凝胶具有多孔网络结构，且纳米药物和蓝藻在其中分布均匀。PCC 7942 在 635 nm 红光照射下可持续产生氧气，实验证明包封后的蓝藻在储存15天后仍保持光合产氧能力，并能在多次光照开/关循环中稳定产氧。

第三步为体外细胞实验，研究分为细胞吞噬、胞内氧合、抗肿瘤活性和促血管生成四个层面。利用 B16F10 黑色素瘤细胞和人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells, HUVECs）作为模型。HA 修饰的 HIL@Z 可通过 CD44 受体介导的选择性内吞进入肿瘤细胞，而在 HUVECs 中摄取极低。荧光共定位分析显示纳米药物可在4 h 内从溶酶体逃逸。在低氧培养的 B16F10 细胞中加入水凝胶并用 635 nm 光照后，缺氧探针荧光显著降低，表明蓝藻光合产氧有效缓解胞内缺氧。Western blot 和 RT-qPCR 结果显示，P/H+红光组的 HIF-1α 蛋白和 mRNA 表达显著下调，其下游转移相关基因如 MMP-9、EPO、HO-1、ADM 和 GLUT-1 也同步下降。抗肿瘤实验中，HIL@Z/P/H+红光+近红外组的 B16F10 细胞存活率最低，仅为19.0%，凋亡率显著高于其他组，并检测到 ROS、NO 和 ONOO⁻ 的显著增强以及细胞内谷胱甘肽（glutathione, GSH）水平的显著降低。这些结果表明光合产氧增强了 PDT 诱导的亚硝化应激和氧化还原失衡杀伤效果。此外，PCC 7942 分泌的细胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs）可促进内皮细胞和成纤维细胞增殖、迁移及体外管腔形成，该作用可被 GW4869 抑制，进一步证实 EVs 参与促血管生成。

第四步为体内动物实验。研究建立了雌性 C57BL/6 小鼠 B16F10 不完全切除模型和全层皮肤缺损模型。在不完全切除模型中，术后第1、3、5天分别给予 635 nm（1.0 W/cm²，30 min）和 808 nm（1.5 W/cm²，10 min）激光照射。结果显示 HIL@Z/P/H+红光+近红外组的伤口在14天时基本愈合，肿瘤体积显著缩小甚至部分完全消失，小鼠42天生存率达80%，明显优于其他组。组织学分析显示该组肿瘤细胞核碎裂、细胞结构不完整，TUNEL 凋亡率高，Ki67 增殖指数低，HIF-1α 阳性染色几乎消失，MMP-9 表达降低约80%。肺转移结节分析显示该组小鼠肺部未发现明显转移灶，而其他组均存在转移结节。免疫荧光进一步显示该治疗可促进巨噬细胞和 CD8⁺ T 细胞浸润。全层皮肤缺损模型中，P/H+红光和 HIL@Z/P/H+红光组的伤口在12天时几乎完全闭合，愈合率达98%以上，新生表皮完整且伴有新毛囊形成，胶原沉积显著增加。免疫组化显示治疗组 HIF-1α 阳性面积减少约一半，血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）、CD31 阳性微血管密度和 α-平滑肌肌动蛋白（α-smooth muscle actin, α-SMA）阳性面积均显著高于对照组。

本研究开发的多功能可喷涂水凝胶 HIL@Z/P/H 可以在术后创面原位形成，通过近红外光触发肿瘤靶向纳米药物产生 ROS/NO/ONOO⁻ 并消耗 GSH 以破坏肿瘤细胞氧化还原稳态；通过红光驱动蓝藻持续光合产氧，缓解肿瘤和伤口微环境的缺氧状态，一方面增强肿瘤细胞杀伤并阻断 HIF-1α 信号通路抑制远处转移，另一方面促进血管生成和创面修复。该体系同时实现了抑制肿瘤复发转移与促进伤口愈合的双重功能。研究的创新点在于：首次将光合微生物与可喷涂水凝胶结合用于术后肿瘤治疗，利用蓝藻天然的光合作用实现长效、可控和可逆的氧气供给，克服了传统化学或物理供氧系统持续时间短的局限。此外，该研究还发现蓝藻分泌的 EVs 本身具有促血管生成和伤口愈合活性，与光合产氧发挥协同效应。这种基于活体微生物的治疗性水凝胶为术后肿瘤综合治疗和多种缺氧相关疾病提供了新的策略。