机遇与挑战：工程学和物理学在肿瘤学中的应用

作者：Michael J. Mitchell,Rakesh K. Jain& Robert Lange来源：Nature

在过去的十年中，在包括材料科学、微细加工、纳米、微流控芯片技术、成像领域的进步的推动下，工程学、物理学和肿瘤学结合应用呈现指数式增长，在四个重要领域取得的重大突破：

一、肿瘤的物理微环境，

肿瘤微环境（TME），又称肿瘤基质（tumorstroma）细胞，成分由恶性肿瘤细胞和基质细胞组成，后者包括成纤维细胞、免疫细胞、内皮细胞、平滑肌细胞非细胞成分包括细胞外基质和分泌到细胞外的分子。

图一，肿瘤学中工程和物理科学概览。

肿瘤微环境包括血管和淋巴管的压缩、加筋和过量的细胞外基质（ECM），和癌细胞糖萼。

血管塌陷和固体应力增加，导致输送到肿瘤组织的药物受限。周围的陡增的压力促使液体从肿瘤边缘的血管流入周围正常组织，促进生长因子和癌细胞进入正常组织，从而促进肿瘤生长、血管生成和转移。压力梯度也降低了药物的保留时间，抑制了肿瘤内均匀分布。

成像、药物传递和微细加工的进展都被用于检测、操作和治疗靶向微环境的各个方面。例如：CT、计算机断层扫描、CTC、循环肿瘤细胞、磁共振成像、磁共振成像、正电子发射断层显像。

二、药物载体技术的进步

图二，增强癌症免疫治疗的药物载体

a. 在缺乏靶向配体的情况下，纳米粒子库经过工程处理，拥有不同的表面电荷。

通过调节脂质传递材料与封装RNA数量的比值来改变纳米颗粒的电荷量。然后在小鼠体内筛选这些物质，以有效地在脾脏和其他淋巴器官中递送和转染树突状细胞。带有轻微负电荷的首要候选者通过纳米RNA疫苗进入小鼠体内，靶向前体树突状细胞，使其发展成为成熟的、呈现抗原的树突状细胞，移动到淋巴结T细胞。

b. 通过类浆细胞提取的]树状突细胞，促进干扰素(IFNα) 初始波的分泌

b. 摄取的浆细胞样树突状细胞促进**波干扰素（IFNα）产物分泌，有助于活化淋巴结中的初始T细胞活化。

c. 成熟树突状细胞表达来源于RNA的肿瘤抗原，表达载体中的佐剂和抗原，并将他们送给淋巴结T细胞。

d. 通过巨噬细胞提取载体，导致第二波的IFNα释放，全面启动T细胞对特异性抗原。被活化的T细胞迁移到肿瘤部位，攻击和杀死肿瘤细胞。

三、细胞和分子成像

分子成像(molecular imaging)是近来出现的一个生物医学新领域。广义上，分子成像是指活体内的生物过程在细胞和分子水平上特征的显示和测定。

相对于经典的影像诊断学，分子成像偏重于疾病的基础变化、分子水平的异常，而不是分子改变的最终效应。

其主要目的是发展和测试体内特异性分子(疾病过程中的关键性靶目标) 成像的新工具、试剂和方法。以往对疾病的评价**于解剖改变或以分子改变形式表现出的生理变化。

解剖成像可以获得断层图像，而大多数分子成像却能够提供体内分子标记物的定量和定位信息。可以说，分子成像是对传统解剖成像的有力补充：

在分子水平上借助于化学和生物制剂的作用使分子成像，有利于临床前疾病的无创检查，有助于制定更适合的治疗方案并指导治疗，有助于客观地评价治疗效果，有助于加速药物开发过程等，

这些都直接关系到病人的治疗与保健。

目前，分子成像技术主要有核素成像、磁共振成像和光学成像等。

分子成像的应用

基因治疗及基因治疗中的基因传递和表达成像。

可用于标记细胞、微生物和转基因动物的成像

揭示分子间相互作用

揭示机体的生理病理改变过程

小动物成像的研究

四、微流控芯片技术和微细加工

　微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。

微细加工Microfabrication，是制造的微米及更小尺度微型结构的过程。

这些新兴领域将为肿瘤学的研究提供更多机遇和挑战。

参考图片，英国麦克米伦出版公司。

参考文章

Engineering and physical sciences in oncology: challenges and opportunities