STAR Protocols︱王雪林/陈军歌/刘静课题组合作发表可变形液态金属微纳颗粒用于肿瘤冷冻治疗的新方法

撰文︱王雪林，陈军歌责编︱王思珍，方以一编辑︱杨彬薇

镓基液态金属微纳颗粒(gallium particles, GaPs) 作为一种新兴的生物医用材料，因其生物相容性良好、易于修饰和排出体外等特点备受关注，近年来在肿瘤治疗、药物递送、体内成像领域得到快速发展。然而裸露的GaPs在低温冷冻的条件下无法发生形变，限制着其进一步应用于肿瘤治疗领域。在之前的工作中，作者引入细胞膜设计制备出可变形、具有肿瘤靶向性且包载抗肿瘤药物的镓颗粒（Ga/M/PPs），该颗粒通过胞吞作用进入肿瘤细胞的溶酶体内，在冷冻条件下发生剧烈形变杀伤肿瘤细胞，进而提高镓颗粒的抗肿瘤效率[1]。

2022年12月16日，北京航空航天大学的王雪林团队、陈军歌团队与清华大学刘静教授团队合作在Cell旗下的STAR Protocols杂志在线发表了题为“Protocol for designing and preparing gallium particles using cell membrane encapsulation for applications in melanoma cryoablation therapy”的研究方案论文，利用肿瘤细胞膜对镓液态金属颗粒进行功能化修饰，使其具有肿瘤靶向性和冷冻可变形性，并将其用于黑色素瘤的冷冻治疗。刘静研究组自2020年以来，开展了大量液态金属微纳颗粒用于肿瘤治疗的研究 [2-5]。

研究团队首次通过引入肿瘤细胞的细胞膜包裹Ga颗粒，实现了在冷冻条件下Ga颗粒变形，发生形变的Ga颗粒可在细胞内部刺破溶酶体，从而实现溶酶体逃逸，由此实现细胞内治疗并达到高效杀伤肿瘤的目的。在这一工作中，作者详细阐述了利用C8161肿瘤细胞的细胞膜制备包膜镓颗粒并实现肿瘤冷冻治疗的实验方案（图1）。在本方案中，GaPs的表面修饰是通过引入肿瘤细胞膜来封装GaPs，细胞膜能够对GaPs提供受限空间，进而使其在低温环境下发生剧烈形变。在冷冻电镜的辅助下（图2），作者观察到包膜镓颗粒(Ga/MPs)从球形到类似于仙人掌外形的形状变化（-196 ^oC），Ga/MPs可以穿透溶酶体膜，进而实现高效的溶酶体逃逸。因此，通过引入细胞膜修饰GaPs，不仅可以实现在冷冻条件下颗粒的剧烈形变，还可以使其获得一定的肿瘤靶向性，从而实现高效的肿瘤冷冻治疗。

图1 利用细胞膜修饰GaPs设计制备Ga/M/PPs并用于肿瘤冷冻治疗的实验方案

（图源：Wang X et al., STAR Protoc, 2022）

作者分别将GaPs、Ga/MPs、Ga/M/PPs三种颗粒注入到荷瘤小鼠体内，并对它们进行冷冻治疗（图3）。在体抗肿瘤结果表明，Ga/MPs组和Ga/M/PPs组均表现出良好的肿瘤生长抑制效果。此外，在X光下，Ga/MPs组和Ga/M/PPs组相较于对照组均具有显著的增强X射线高分辨率成像效果。在此方案中，作者提出了肿瘤细胞膜包裹修饰镓颗粒的新一代高效抗肿瘤颗粒制备方案，为镓颗粒为代表的液态金属生物材料用于肿瘤治疗提供了新思路，进一步促进了该领域的发展和应用。

图2 Ga/MPs电镜照片对比（A图为25^oC，B图为-196 ^oC）

（图源：Wang X et al., STAR Protoc, 2022）

图3 冷冻消融治疗荷瘤小鼠的示意图

（图源：Wang X et al., STAR Protoc, 2022） 

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，本工作制备了一系列肿瘤细胞膜功能化的可变形镓液态金属微纳颗粒（Ga/M/PPs），Ga/M/PPs在归巢作用下被肿瘤细胞特异性摄取，并在低温下表现出明显的形态变化（由球形变为仙人掌状结构），从而刺破溶酶体膜，进而实现高效的溶酶体逃逸，从而实现Ga/M/PPs内部的药物释放。此项研究实现了镓液态金属颗粒冷冻变形强化的细胞内治疗，在肿瘤临床治疗方面显示出潜在的应用前景。在未来研究中，该基于液态金属高效冷冻变形的细胞内肿瘤疗法有望作为一种通用的治疗策略，实现对胰腺癌、乳腺癌、肺癌等实体瘤的治疗。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xpro.2022.101826

据悉，北京航空航天大学医工学院的王雪林博士为本文第一作者，北京航空航天大学医工学院的陈军歌博士、清华大学医学院刘静教授为本文共同通讯作者，其他合作者包括国家纳米科学中心的梁兴杰研究员等。本工作得到了国家自然科学基金项目、北京市自然科学基金项目和中央高校基本科研经费等的大力支持。

第一作者：王雪林（左）；通讯作者：陈军歌（中），刘静（右）

（照片提供自：王雪林/陈军歌/刘静课题组）

作者简介（上下滑动阅读） 

第一作者

王雪林，北京航空航天大学医学科学与工程学院，助理教授，硕士生导师；博士毕业于清华大学生物医学工程系，斯坦福大学鲍哲南教授组访学；主要研究方向为液态金属生物医用材料，多功能低熔点合金的合成及表征，新型柔性材料与柔性电子，健康监护与肿瘤治疗等；近年在Matter, Advanced Functional Materials, Advanced Healthcare Materials等国际期刊以第一作者身份相继发表研究论文十余篇；现主持北京市自然科学基金-海淀联合基金项目、医工卓越创新计划项目等多个项目。

通讯作者

陈军歌，北京航空航天大学医工学院助理教授，博士生导师，北航学院“优秀导师”获得者。近年来主要从事智能药物递送、肿瘤精准治疗、液态金属微纳机器人、外泌体与肿瘤早期诊断相关研究，近年来以第一/通讯作者身份在Matter（Cell子刊），STAR Protocols（Cell子刊），Advanced Science, Biomaterials，Lab on a Chip，Analytical Chemistry等国际一流期刊上发表了多篇文章，平均影响因子＞10，主持了国家自然科学基金、广东省联合基金、北航医工卓越创新计划、北航-谊安联合实验室基金等多项项目，参与了多项国家自然科学基金，申请了五项国家发明专利（两项已授权），多次受邀参加国内外学术会议。

刘静，清华大学教授/中科院理化所双聘研究员；清华大学理工双学士、工学博士。长期从事生物传热学、液态金属与低温工程学研究。发现液态金属诸多全新科学现象与基础效应，开辟出液态金属芯片冷却、液态金属印刷电子学、液态金属生物材料学与液态金属柔性机器学等领域，提出并推动了中国液态金属谷以及液态金属新工业的创建和发展。研发的众多液态金属应用系统、大型肿瘤治疗装备-康博刀系统及无线移动医学仪器等得到广泛应用。出版有17部跨学科前沿著作（其中《微米/纳米尺度传热学》先后5次印刷），获授权发明专利300余项。2003年国家杰出青年科学基金获得者，曾获国际传热界威廉•伯格奖、2017全国首届创新争先奖、入围及入选两院院士评选中国十大科技进展新闻各1次，入围2015 R&D 100 Awards Finalist，入选CCTV科技盛典2015年度十大科技创新人物，两次获得中科院科技成果在京转化先进团队特等奖等。

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参考文献（上下滑动阅读）

[1] Wang, X., Liang, X. -J., Zhang, J. et al. (2022). Protocol for designing and preparing gallium particles using cell membrane encapsulation for applications in melanoma cryoablation therapy. STAR Protocols 3, 101826.

[2] Wang, X., Li, X., Duan, M. et al. (2022). Endosomal escapable cryo-treatment-driven membrane encapsulated Ga liquid-metal transformer to facilitate intracellular therapy. Matter 5, 219–236.

[3] Wang, X., Guo, R., and Liu, J. (2018). Liquid Metal Based Soft Robotics: Materials, Designs, and Applications. Advanced Materials Technologies 4, 1800549.

[4] Sun, X., Cui, B., Yuan, B. et al. (2020). Liquid Metal Microparticles Phase Change Medicated Mechanical Destruction for Enhanced Tumor Cryoablation and Dual‐Mode Imaging. Advanced Functional Materials 30, 2003359

[5] Sun, X., Guo, R., Yuan, B. et al. (2020). Low-Temperature Triggered Shape Transformation of Liquid Metal Microdroplets. ACS Appl Mater Interfaces 12, 38386-38396.

本文完