图1 肿瘤中的工程化微藻（绿色）

微藻是一种存在自然界中可进行光合作用的单细胞微生物，在生物燃料、食品、保健品等领域均有广泛应用。近日，浙江大学医学附属第二医院/转化医学研究院周民团队与孙毅团队合作，在工程化活性微藻的体内癌症治疗应用上取得新进展，在Science旗下综合性期刊《Science Advances》在线发表题为“Engineered algae: a novel oxygen-generating system for effective treatment of hypoxic cancer”的研究论文。该文被期刊编辑部选为rotate highlight 图片重点推广。

图2 光照下的工程化微藻改善肿瘤乏氧微环境

本研究经过工程化改造的活性微藻可以输送到低氧肿瘤区域，以增加局部氧气水平并使抗性癌细胞对放射治疗和光动力治疗重新获得敏感性。通过微藻介导的光合作在肿瘤原位产生氧气可显着改善肿瘤的低氧环境，从而提高了放射治疗的功效。同时微藻释放的叶绿素在激光激发下产生活性氧，进一步赋予光敏作用并增强肿瘤细胞的凋亡。因此，将产生氧气的微藻生物体系与放射疗法和光动力疗法相继结合，有可能创建一种新的癌症治疗策略。综上，本研究揭示了一种利用光合作用治疗肿瘤的新方法，并为藻类增强放射疗法和光动力疗法的未来发展提供了新的概念。

图3 工程化微藻的程序性治疗示意图和微藻形貌

由于癌细胞团在微血管周围过速生长所致，实体瘤会不可避免地会形成缺氧状态^[1]。肿瘤中的局部缺氧严重阻碍癌症治疗的有效性，尤其是在涉及瘤内氧气的放射疗法（RT）^[2]和光动力疗法（PDT）^[3]。改善缺氧性肿瘤区域的氧合浓度并克服缺氧，可大大增强PDT/RT的疗效。因此，低氧性肿瘤的再充氧是克服基于低氧的抗性癌症治疗的有效方法^[4]。针对此问题，多项研究尝试用纳米载体在肿瘤中原位产生氧气，用以增加缺氧区域的局部氧气以增强治疗功效。但此种方法临床转化价值有限，主要由于大多数给药载体会被肝脏和脾脏中的单核吞噬细胞系统（MPS）所捕获，导致仅有约0.7％给药剂量可到达肿瘤^[5]。主要脏器中纳米载体的高摄取现象增加了药物全身毒性的风险，阻碍其向临床应用转化。

图4 工程化微藻的程序性治疗体外实验

（光照下，微藻快速产氧来改善癌细胞的乏氧状态；在X射线照射下高效破坏癌细胞的DNA，实现放射治疗增敏效果；随后释放出来的叶绿素可以实现联级光动力治疗。） 

自然界中，微藻类通过亿万年的进化获得了复杂的光合作用系统，可实现高效光催化产氧^[6]。微藻由于其光致合成作用已被用于多种应用领域，包括生物燃料，保健品，食品，动物饲料，有机肥料，空气净化，生物降解和生物活性化合物。小球藻（C. vulgaris）是一种单细胞绿藻，属于绿藻门四胞藻纲小球藻目，可通过光合作用过程产生氧气^[7]。由于藻类资源丰富，成本低，结构均一，传统上将藻类用作新型食物来源的研究模型。值得注意的是，小球藻能够减少消化系统疾病中的内毒素血症^[8]并增强宿主抵抗腹膜炎的防御能力^[9]且无毒副作用。此外，C. vulgaris含有大量的叶绿素，可在宽波普范围内进行光合作用。由于在650 nm波长激光辐照下会生成活性氧（ROS），因此该功能可用于PDT^[10]。藻类的主要分解产物叶绿素对哺乳动物细胞没有遗传副作用，包括染色体断裂，并且可以限制致癌物的生物利用度，而无明显的免疫反应诱导作用。

图5 工程化微藻的肿瘤靶向递送和对瘤内乏氧的改善

在本研究中，通过红细胞膜工程化修饰的小球藻可以有效降低免疫细胞的免疫吞噬，显著的降低了巨噬细胞的清除作用，从而将纳米药物更有效输送至肿瘤组织。采用荧光成像方式，可以动态观测到工程化小球藻在肿瘤部位的摄取量，进而选择最佳放疗时间；采用光声影像对工程化微藻在肿瘤组织的血氧含量的动态变化进行观察，实现了肿瘤乏氧的实时、动态监测；同时微藻含有的叶绿素也具有荧光特性，可实现动态荧光成像功能。输送至肿瘤组织的工程化小球藻通过光合作用在肿瘤内部原位产生氧气，可以显著缓解肿瘤乏氧状态，在X射线照射下具有更好的放疗效果。同时，研究发现小球藻本身内含叶绿素可以作为光敏剂产生活性氧，应用于光动力治疗。在前期放疗过程中导致大量的叶绿素从小球藻中释放到肿瘤组织中，再经过650 nm的激光照射，可以实现联级光动力治疗，显著抑制肿瘤的生长。因此本研究结合光声成像/荧光成像两种分子影像模态，为进一步对肿瘤进行放疗和光动力联级治疗提供了精准治疗方案。

图6 工程化微藻程序性治疗乏氧肿瘤的分子通路 

当前，以大分子、无机纳米和杂化纳米等材料为主要载体的生物材料被广泛应用于肿瘤的诊断和治疗研究，并取得了显著的技术成就。然而，材料的医学转化对规模化生产和生物安全性都提出了十分严格的要求，这无疑成为了各种生物材料由基础研究向临床转化的主要障碍。因此，如何设计和制备具有量产可行性、理想治疗效果和较高生物安全性的载药体系，是该领域亟待解决的重要问题。本文结果表明，天然活性微藻具有较好的生物安全性和可规模化生产的前景。因此，围绕基于天然活性微藻、具有良好生物安全性、影像监测可行性的诊疗一体化药物递送系统，通过合理化设计和针对性应用策略，设计合成高效、安全的活性微藻载药系统，用于医学影像引导下的肿瘤诊断和治疗。在此基础上，建立以天然生物活性微藻为基础的恶性肿瘤的新型治疗方案，并探索其在临床转化的可行性，提供一种新型的肿瘤治疗材料研发技术。有望获得具有临床应用前景的、成药性良好且具备自主知识产权的肿瘤诊断和治疗新技术和新产品。

浙江大学转化医学研究院周民团队博士生/浙江大学附属第二医院眼科中心助理研究员乔越、浙江大学转化医学研究院孙毅团队博士生杨非、周民团队硕士生谢婷婷为论文共同第一作者。浙江大学转化医学研究院/浙江大学附属第二医院周民研究员和浙江大学转化医学研究院孙毅教授为论文的共同通讯作者。浙江大学转化医学研究院吕志民教授为论文的共同作者之一。

研究工作得到了浙江大学眼科中心、恶性肿瘤预警与干预教育部重点实验室、现代光学仪器国家重点实验室的大力支持，该研究也得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、浙江省重点研发计划专项等项目资助。

参考文献：

[1] West JB. Physiological effects of chronic hypoxia. N. Engl. J. Med. 376, 1965-1971 (2017).

[2] Barker HE, Paget JTE, Khan AA, Harrington KJ. The tumor microenvironment after radiotherapy: mechanisms of resistance and recurrence. Nat. Rev. Cancer 15, 409-425 (2015).

[3] Casas A, Di Venosa G, Hasan T, Batlle A. Mechanisms of resistance to photodynamic therapy. Curr. Med. Chem. 18, 2486-2515 (2011).

[4] Rummer JL, McKenzie DJ, Innocenti A, Supuran CT, Brauner CJ. Root Effect hemoglobin may have evolved to enhance general tissue oxygen delivery. Science 340, 1327-1329 (2013).

[5] Wilhelm S, et al. Analysis of nanoparticle delivery to tumors. Nat. Rev. Mater. 1, 16014 (2016).

[6] Georgianna DR, Mayfield SP. Exploiting diversity and synthetic biology for the production of algal biofuels. Nature 488, 329-335 (2012).

[7] Liu J, Chen F. Biology and industrial applications of chlorella: advances and prospects. in: microalgae biotechnology (Posten C, Chen SF) (2016).

[8] Bedirli A, et al. Administration of Chlorella sp. microalgae reduces endotoxemia, intestinal oxidative stress and bacterial translocation in experimental biliary obstruction. Clin. Nutr. 28, 674-678 (2009).

[9] Tanaka K, et al. augmentation of host defense by a unicellular green alga, Chlorella vulgaris, to Escherichia Coli infection. Infect. Immun. 53, 267-271 (1986).

[10] Song BH, et al. Photodynamic therapy using chlorophyll-a in the treatment of acne vulgaris: A randomized, single-blind, split-face study. J. Am. Acad. Dermatol. 71, 764-771 (2014).