我院仿生工程与生物力学研究所（BEBC）徐峰教授团队系统研究了肿瘤微环境中的力学因素对纳米粒子扩散的影响机制，在肿瘤力学微环境与纳米粒子传输机制研究方面取得新进展。研究成果以“细胞外基质的物理特性调控纳米粒子在肿瘤微环境中的扩散（Extracellular Matrix Physical Properties Govern the Diffusion of Nanoparticles in Tumor Microenvironment）”为题，于2022年12月27日在《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）杂志上在线发表。
图 肿瘤力学微环境与纳米粒子的扩散
纳米技术广泛应用于生物医药、信息产业、环境产业、能源环保等领域，其中以纳米材料为载体的纳米粒子在癌症诊疗领域具有重大应用前景，然而纳米粒子的在体传输效率低下，成为限制纳米医药发展的关键瓶颈。针对纳米粒子体内传输困难的问题，目前的研究主要集中在设计和调控纳米粒子本身的形貌、生化、力学性质等方面。而在肿瘤的发生发展过程中，肿瘤的细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）也会发生一系列物理尤其是力学性质的变化，严重阻碍纳米粒子的扩散。ECM作为纳米粒子在体内传输的重要物理屏障，其力学性质如何影响纳米粒子的扩散尚不清楚。因此，研究纳米粒子在肿瘤ECM中的扩散行为，阐明ECM的力学特征对纳米粒子扩散的影响机制，对提高纳米粒子的肿瘤输运效率至关重要。
研究团队通过临床样本统计分析表征了临床肿瘤组织力学性质的变化，发现其ECM的纤维密度、刚度显著升高，纤维结构呈单向直线排列，纳米粒子在肿瘤组织ECM中扩散能力显著下降；基于分子动力学模拟，结合粒子的运动轨迹及与网络的相互作用参数分析，阐明了肿瘤ECM的密度、刚度和纤维排列对纳米粒子扩散的影响规律，揭示了ECM刚度通过调控纳米粒子与网络接触的动态波动而影响粒子的扩散行为的力学机制。该工作不仅创新性地揭示了肿瘤力学微环境与纳米粒子相互作用的关键微观力学机制，以及肿瘤微环境力学特性对纳米粒子扩散能力的重要影响机制，且提出了一个基于肿瘤微环境力学性质的表征结果综合预测和评估纳米粒子递送效率的方法模型，为研究肿瘤力学微环境中的传质及力学机制问题提供了理论基础和方法指导。
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2209260120
