研究简介:结肠癌是全球第三大致死性恶性肿瘤，2022年有超过190万新病例和90.4万死亡病例。目前结肠癌的主要治疗策略包括手术切除、放疗、化疗、靶向治疗和免疫治疗。化疗药物如5-FU通常通过静脉注射和口服给药，但会导致严重的全身副作用，尤其是对肠道的损害。因此开发一种能够减少肠道毒性并增强化疗效果的新策略具有重要意义。研究人员开发了一种新型的用于结肠癌治疗的直肠栓剂——5-FU/CSN FAG，旨在通过局部协同氢化疗实现高效低毒性的治疗效果，基于H2的抗癌选择性和正常细胞保护作用，提出了一种局部协同氢化疗的新策略，以减轻副作用并提高治疗效果，并通过脂肪酸甘油酯（FAG）封装5-氟尿嘧啶（5-FU，结直肠癌治疗的一线药物）和硅化铈纳米颗粒（CSN）构建直肠栓剂（5-FU/CSN FAG）的新型抗癌制剂具有持续水解作用H2释放行为，与5-FU释放同步。栓剂治疗3周，每天一次，不仅可以完全根除栓剂停药后结肠肿瘤无肿瘤复发，还可以有效保护肠道免受化疗损伤。研究从机制上讲，CSN产生的H2通过清除过表达的活性氧和纠正能量代谢来降低5-FU对肠道中正常细胞的毒性，还通过CO信号通路抑制结肠肿瘤细胞的呼吸，帮助5-FU促进结肠肿瘤细胞凋亡。本研究开发的5-FU/CSN FAG栓剂为结肠癌的治疗提供了一种新的策略，通过局部协同氢化疗，不仅增强了化疗效果，还显著减少了药物的副作用。这种栓剂具有高生物安全性和治疗效果，具有很高的临床转化潜力。

Unisense微电极系统的应用

Unisense微电极被用于监测结肠肿瘤组织中氢气（H2）的浓度变化。在给小鼠直肠给药5-FU/CSN FAG栓剂后，使用氢气微电极实时测量了小鼠结肠中H2的浓度变化。这一测量过程是在给药后的不同时间点（0、1、2、6小时）进行的，以评估栓剂中CSN释放H2的行为及其在结肠中的生物利用度。Unisense微电极能够实时、动态地监测结肠组织中H2的浓度变化。可评估栓剂中CSN的H2释放行为，可以直接反映H2在体内的生成和分布情况。还可实现在不同时间点测量H2浓度，研究发现H2浓度在给药后逐渐增加，并在6小时内达到150μm的峰值。获得的测试数据表明，CSN能够在结肠中持续释放H2，且释放量足以辅助化疗药物5-FU发挥更好的治疗效果。Unisense微电极的监测H2浓氢气浓度，还能够评估栓剂的安全性，确认H2在结肠中的浓度足以对化疗药物5-FU产生协同作用，从而增强抗癌效果并减轻副作用。

实验结论

将卡波姆、CSN和5-FU封装到FAG基质中，成功制备了直肠栓剂系统，实现了H2和5-FU的高剂量、同步和持续共释放。栓剂的大规模生产和质量控制都很容易实现，生产成本也相对较低。根据原位结肠癌小鼠模型的治疗效果和组织学评价，每日直肠给药5-FU/CSN FAG栓剂可在停用栓剂给药后3周内彻底根除结肠肿瘤，且无复发。此外，CSN产生的H2抑制了5-FU对结肠组织的炎症损伤。揭示了5-FU/CSN FAG栓剂氢化疗治疗疗效增强和副作用减轻的机制。基于增强对结直肠癌的治疗效果和显着减少5-FU对正常结肠细胞/组织的毒副作用，将这种基于栓剂的氢化疗转化为人体临床试验非常有前途。它应该会给结肠癌患者带来明显的益处。证实了H2可以有效抑制炎症性肠病引起的腹泻。

图1、直肠5-FU/CSN FAG栓剂介导的5-FU和H2在结肠中局部持续共释放的示意图，以及H2增强5-FU的抗癌功效和减轻5-FU对正常结肠细胞的副作用的机制。

图2、CSN和5-FU/CSN FAG栓剂的表征。SEM图像a）CSN，b）DLS测量的CSN尺寸分布，c）在25°C和37°C下加热不同持续时间的5-FU/CSN FAG栓剂的数字图像，以及d）5-FU/CSN FAG栓剂的熔解曲线，数字和e）在施用Cy5标记的5-FU/CSN FAG栓剂不同持续时间后离体提取的肠道组织的荧光图像，f）结肠道荧光强度的相应定量分析。

图3、CeSi2原料粉、300nm和50nm CSN的SEM图像（a）及其在模拟结肠液中用氢微电极检测的H2释放行为（b）。

图4、5-FU/CSN FAG栓剂的5-FU和H释放行为。a）手b）5-FU/CSN FAG栓剂在37°C下在100 rpm摇动下在模拟结肠液中的释放行为（n=3），c）荧光成像监测5FU-FITC/CSN FAG栓剂离体肠道内分布和代谢，d）结肠中相应的平均荧光强度（n=3），e）给予5-FU/CSN FAG栓剂后结肠和小肠中5-FU的浓度（n=3），f）施用5-FU/CSN FAG栓剂后0、1、2、6小时用氢电极微电极测量小鼠结肠内的氢气浓度。

图5、联合氢化疗的抗癌疗效增强和副作用减轻机制。测量5-FU体外细胞毒性的方法示意图a）5-FU/CSN FAG栓剂释放的H2，b）CSN与5-FU不同质量比的5-FU/CSN FAG栓剂释放的5-FU和H对NCM460细胞（n=5）和c）CT26细胞（n=5），d）降低5-FU对正常NCM460细胞的细胞毒性的拟议机制，e）不同处理下mtROS（红色荧光）和Hoechst（蓝色荧光）染色的NCM460细胞的共聚焦图像，f）ROS水平的相应定量分析（n=5），g）不同处理NCM460细胞中的ATP水平（n=5），h）H增强5-FU对结肠癌CT26细胞的细胞毒性的拟议机制，i）不同处理下COP-1（绿色荧光）和Hoechst（蓝色荧光）染色的CT26细胞的共聚焦图像，以及j）不同处理下CT26细胞中CO的相应定量分析（n=5），以及k）ATP水平。

结论与展望

本研究开发了一种新型的用于结肠癌治疗的直肠栓剂——5-FU/CSN FAG，旨在通过局部协同氢化疗实现高效低毒性的治疗效果。结肠癌是全球第三大致死性恶性肿瘤，传统的化疗药物如5-氟尿嘧啶（5-FU）虽然有效，但常伴随严重的全身副作用，尤其是对肠道的损害。提出了一种使用H2释放纳米材料/化疗药物共负载栓剂对结直肠肿瘤进行局部协同氢化疗的策略。开发的5-FU/CSN FAG栓剂为结肠癌的治疗提供了一种新的策略，通过局部协同氢化疗，不仅增强了化疗效果，还显著减少了药物的副作用。这种栓剂具有高生物安全性和治疗效果，具有很高的临床转化潜力。5-FU/CSN FAG栓剂为结肠癌的治疗提供了一种新的策略，通过局部协同氢化疗，不仅增强了化疗效果，还显著减少了药物的副作用。这种栓剂具有高生物安全性和治疗效果，具有很高的临床转化潜力。Unisense微电极用于监测结肠肿瘤组织中氢气（H2）的浓度变化，评估栓剂中CSN的H2释放行为、H2的生物利用度、治疗效果和安全性提供了直接证据。这些数据不仅支持了栓剂在结肠癌治疗中的高效性和低毒性，还为临床转化提供了有力的科学依据。氢气的药理学定义尚不明确，其药代动力学难以监测，这需要在未来的研究中解决。此外未来的研究还需要在特定动物模型中验证氢气对放化疗药物药代动力学和生物利用度的影响，以进一步推动该栓剂的临床应用。