快速吸收分子氧的材料（称为除氧剂或脱氧剂（DOA））具有许多工业应用，例如：食品保藏、金属防腐蚀和煤脱氧。由于氧对癌症生长至关重要，所以通过消耗肿瘤内氧气的饥饿疗法是治疗癌症的潜在有效策略。本论文研究了如何应用注射聚合物改性硅化镁（Mg2Si）纳米粒子，用于清除肿瘤中的氧气并形成副产物阻止肿瘤毛细血管再氧化。相关研究结果表明在酸性肿瘤微环境中，Mg2Si释放出的硅烷可以有效地与溶解组织和血红蛋白结合的氧三者反应形成二氧化硅（SiO2）聚集体，并且这种原位构造的SiO2会阻断肿瘤毛细血管并防止肿瘤接受新供应的氧和营养物。


微电极的应用


应用了Unisense氧气微电极测试了老鼠体内静脉中血液中的氧气浓度以及老鼠体内肿瘤组织的氧气浓度。其中老鼠静脉血液是从老鼠尾静脉抽出20ul的静脉血液后，并立马进行血液中氧气浓度的测试。而老鼠体内的各个器官组织氧气浓度是通过使用氧微电极穿刺测试得到的。


实验结果


通过注射聚合物改性的硅化镁纳米粒子，可以充当DOA清除肿瘤中的氧气并形成副产物阻止肿瘤毛细血管再氧化。纳米颗粒的制备是利用自蔓延高温合成方法实现的。在酸性肿瘤微环境中，Mg2Si释放出的硅烷可以有效地与溶解组织和血红蛋白结合的氧三者反应形成二氧化硅（SiO2）聚集体。这种原位构造的SiO2会阻断肿瘤毛细血管并防止肿瘤接受新供应的氧和营养物。

图1、使用除氧化剂硅化镁-聚乙烯吡咯烷酮溶液进行癌症饥饿疗法的原理示意图，从图中可以看出通过注射的方式，硅化镁-聚乙烯吡咯烷酮溶液进入动物体内血管后，酸性肿瘤微环境中，硅化镁（Mg2Si）纳米粒子，充当DOA清除肿瘤中的氧气并形成副产物（二氧化硅）阻止肿瘤毛细血管再氧化。

图2、测试老鼠活体的体内组织在不同时间以及不同距离内的氧浓度装置图。

图3、图a表示的是老鼠体内移植的肿瘤内注射二氧化硅溶液的影像图，图b指的是老鼠体内移植的肿瘤注射硅化镁-聚乙烯吡咯烷酮溶液的影像图。图c表示的是注射和未注射硅化镁聚乙烯吡咯烷酮溶液的老鼠体内肿瘤的血氧饱和度随时间的变化情况。图d指的是老鼠肿瘤内的不同距离处溶解氧浓度随时间的变化分布情况，图e表示的是肿瘤内不同时间段的氧分压分布情况的剖面分析。图f指的是老鼠体内注射硅化镁-聚乙烯吡咯烷酮溶液后的老鼠肿瘤的影像分布图。图g表示的是老鼠体内注射硅化镁-聚乙烯吡咯烷酮溶液和注射生理盐水的影像SUV比值的对比。图f表示的是老鼠体内注射硅化镁-聚乙烯吡咯烷酮溶液，其体内肿瘤体积大小随时间的变化情况。

图4、图a表示的是使用硅化镁-聚乙烯吡咯烷酮溶液作为除氧剂作用的原理图。其具体操作是应用一个含有硅化镁-聚乙烯吡咯烷酮溶液的开口微量离心管，将该微量离心管置于含有细胞的培养皿中，体系动态平衡过程中，培养基中溶解氧会不断的解吸附并释放出气体氧会迅速的与微量离心管中的去氧剂进行脱氧反应，从而引起培养基中的氧气迅速消耗。图b指的是培养皿体系中加入不同浓度的硅化镁-聚乙烯吡咯烷酮溶液，微量离心管中的氧气浓度水平随时间的变化情况。图c指的是培养皿体系中加入不同浓度的硅化镁-聚乙烯吡咯烷酮溶液后，培养基中的氧气浓度水平随时间的变化情况。

图5、a)MS-NPS（硅化镁-聚乙烯吡咯烷酮）分散在不同pH缓冲体系（平衡溶解氧浓度是8mg/L）中数码。b)表示的是在两种不同pH环境中，加入脱氧剂MS NPS后，体系中的氧气浓度随时间的变化情况。c)表示的是使用动态光散射仪测试不同pH缓冲体系中MS-NPS的粒径分布情况。从图b中可以看出，在弱酸性环境中，脱氧剂能够快速的消耗缓冲体系中的氧气，而在中性偏弱碱性环境体系中，体系中的氧气浓度几乎不变。

图6、酸化的DMEM营养基中（pH=6.5）加入不同浓度（0 mM、2mM、5mM、10mM）的脱氧剂MS-NPS后，体系中氧气浓度随时间的变化情况。从图中可以看出，脱氧剂MS-NPS加入会引起体系中的氧气浓度迅速降低，在30分钟后，体系中的氧气浓度就处于平衡了，而脱氧剂MS-NPS的浓度越大，体系中的氧气浓度越小。但是当脱氧剂浓度增加到一定浓度时（10mM），其氧气浓度就几乎不变了。

图7、在不同pH（4.5(a)、6.5(b)）环境下，老鼠体内注射硅化镁-聚乙烯吡咯烷酮溶液（MS NPs）后，MS NPs与肿瘤血管内的氧气进行反应时，老鼠肿瘤体内的氧气消耗以及镁的释放浓度随时间的变化情况。插图表示的是使用MS NPs后氧气消耗率以及镁的释放率随时间的变化分析。

图8、昆明小鼠中注射高剂量MS NPs（100mg/L）和未注射MS NPs不同组织器官（心脏、肝、脾脏、肺、）的在不同时间段微表面氧分压剖面分析图。从图中可看出，老鼠各器官组织中的氧分压值未出现较大的波动。


总结


相关研究表明血管生成在肿瘤的生长与转移中具有重要作用。肿瘤的生长是血管依赖性的，一般当肿瘤直径超过2cm时，必需要有新生肿瘤血管生成，否则肿瘤将会因营养不足而坏死、停止生长。这也说明抗肿瘤血管生成已成为治疗恶性肿瘤的一种新思路。本论文研究了一种快速吸收分子材料（除氧剂），并将其应用于饥饿癌症疗法中，成为治疗肿瘤一种新的思路。氧对癌症生长至关重要，所以通过消耗肿瘤内氧气的饥饿疗法是治疗癌症的潜在有效策略。具体方法使用一种硅化镁的纳米粒子注入到老鼠体内，硅化镁纳米粒子能够与肿瘤中的氧气迅速反应。实验中使用了unisense氧微电极用于原位的测试老鼠静脉血液以及肿瘤组织中的氧气浓度实现了对于老鼠体内的氧气浓度的在线监测，从而提出了基于硅化镁纳米粒子能够清除肿瘤中的氧气并形成副产物阻止肿瘤毛细血管的再氧化并抑制肿瘤毛细血管接受新供应的氧合和营养物的理论，这说明unisense氧微电极在医学肿瘤学方面存在着很好的应用价值。



本文来自：微电极研究系统应用于肿瘤癌症治疗领域  文章中论文四的扩展。