膀胱癌是一種全球常見的惡性腫瘤疾病，每年有超過42萬人被診斷。其中約70%的患者在初次就診時被歸類為非肌層浸潤性膀胱癌(NMIBC)。對于這些NMIBC患者，標準治療方案通常是在經(jīng)尿道膀胱腫瘤切除術(shù)后，根據(jù)患者的復發(fā)和進展風險接受相應的輔助治療。目前，卡介苗(BCG)膀胱內(nèi)免疫治療被公認為是中高風險NMIBC患者的金標準治療方案，其通過觸發(fā)T輔助細胞1型(TH1)免疫反應來顯著降低腫瘤復發(fā)和進展的風險。在免疫激活過程中，BCG主要被抗原呈遞細胞(APCs)攝取，隨后APCs將抗原呈遞給CD4+和CD8+ T淋巴細胞并激活這些細胞；激活的T淋巴細胞上調(diào)分泌白細胞介素-2(IL-2)、干擾素-γ(IFN-γ)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等關鍵細胞因子，促進T淋巴細胞分化為細胞毒性T淋巴細胞(CTLs)，通過CTLs識別并攻擊腫瘤細胞實現(xiàn)腫瘤消除。這種免疫機制使BCG成為NMIBC治療中不可或缺的重要手段。

然而BCG膀胱內(nèi)免疫治療面臨一個關鍵挑戰(zhàn)：BCG在膀胱內(nèi)的持續(xù)時間直接影響免疫反應的強度和持久性，但在傳統(tǒng)治療中，BCG會隨著患者排尿在灌注后約2小時迅速被排出體外，大大縮短了其在膀胱內(nèi)的有效作用時間，從而削弱了治療效果。為解決這一問題，目前的研究策略主要包括粘附性水凝膠載體和外部磁場響應系統(tǒng)，但這些方法各有局限。粘附于膀胱上皮的水凝膠可能干擾膀胱的正常生理功能，導致排尿異常；而依賴外部磁場的系統(tǒng)則對設備要求高，應用場景受限，難以在臨床實踐中廣泛推廣。因此開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)BCG在膀胱內(nèi)長期滯留且無需復雜外部設備的新型遞送系統(tǒng)，對于提高膀胱癌免疫治療效果具有重要的臨床意義。

針對上述問題，由中山大學組成的研究團隊利用澤攸科技ZEM系列臺式掃描電鏡進行了系統(tǒng)研究，該團隊開發(fā)了一種基于浮動空氣微氣泡的藥物遞送系統(tǒng)，通過將卡介苗(BCG)封裝在微氣泡中實現(xiàn)其在膀胱內(nèi)的長期滯留和持續(xù)釋放，從而顯著增強了膀胱癌免疫治療效果，在原位膀胱癌SD大鼠模型中表現(xiàn)出比傳統(tǒng)BCG治療更持久的免疫反應和更優(yōu)的抗腫瘤效果。相關成果以“Prolonged Release of Bacillus Calmette–Guérin by Floating Microbubbles to Enhance Intravesical Immunotherapy for Bladder Cancer”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。

本研究聚焦于解決膀胱癌免疫治療中的關鍵瓶頸問題——卡介苗(BCG)在膀胱內(nèi)滯留時間過短的挑戰(zhàn)。研究團隊創(chuàng)新性地開發(fā)了一種基于浮動空氣微氣泡的藥物遞送系統(tǒng)(BCG-MBs)，通過將BCG封裝在特制的微氣泡中，使其能夠穩(wěn)定漂浮在尿液表面而不隨排尿被迅速排出，從而實現(xiàn)BCG在膀胱內(nèi)的長期滯留和持續(xù)釋放。這種微氣泡系統(tǒng)采用乳化、交聯(lián)和冷凍干燥的策略制備，形成具有三層結(jié)構(gòu)(內(nèi)層空氣核心、中間溶液層和外層殼)的微球，其平均尺寸為102微米，內(nèi)部空氣核心直徑約85微米，平均密度僅為509.82 kg/m3，遠低于尿液密度，確保了其在膀胱內(nèi)的漂浮特性。這一設計巧妙利用了物理浮力原理，避免了傳統(tǒng)粘附性水凝膠可能干擾膀胱正常生理功能的缺陷，也無需依賴復雜的外部磁場設備。

圖 BCG-MBs用于膀胱癌（BC）膀胱內(nèi)免疫治療的應用示意圖

在實驗驗證過程中，研究團隊通過多種技術(shù)手段全面評估了BCG-MBs的性能。體外實驗表明，BCG-MBs在尿液中表現(xiàn)出優(yōu)異的漂浮能力，24小時后仍有超過50%的微氣泡保持漂浮狀態(tài)；而在模擬排尿的條件下，BCG-MBs能夠持續(xù)釋放BCG，維持治療有效濃度達24小時以上。更為重要的是，在原位膀胱癌SD大鼠模型中，與傳統(tǒng)BCG治療相比，BCG-MBs治療組展現(xiàn)出顯著增強的治療效果：不僅腫瘤生長受到更有效的抑制，還誘導了更持久的免疫反應，表現(xiàn)為IL-2等關鍵細胞因子水平的持續(xù)升高，同時未觀察到明顯的系統(tǒng)毒性。這些結(jié)果充分證明，通過延長BCG在膀胱內(nèi)的作用時間，可以顯著提升免疫治療的療效。

圖 BCG-MBs的制備與表征

臺式掃描電鏡在本研究中發(fā)揮了關鍵的表征作用，為微氣泡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)驗證提供了直觀而精確的證據(jù)。研究團隊使用澤攸科技ZEM18臺式掃描電鏡對凍干后的BCG-MBs進行金濺射鍍膜處理后，在不同放大倍數(shù)下觀察其表面形態(tài)，清晰地展示了微氣泡規(guī)則的球形結(jié)構(gòu)以及BCG在微氣泡表面的不規(guī)則分布狀態(tài)。這一表征不僅確認了微氣泡制備工藝的成功，還直觀揭示了BCG在微氣泡中的物理分布特征，為理解藥物釋放機制提供了結(jié)構(gòu)基礎。掃描電鏡圖像作為重要的形態(tài)學證據(jù)，有力支持了后續(xù)對微氣泡浮力特性、藥物釋放行為及生物效應的分析，是連接材料設計與功能驗證的關鍵環(huán)節(jié)。

圖 在尿液收集管和SD大鼠膀胱中表征BCG-MBs的漂浮和滯留特性

這項研究的創(chuàng)新之處在于巧妙利用微氣泡的物理特性解決了臨床治療中的實際問題，為膀胱癌免疫治療提供了新思路。BCG-MBs系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了BCG在膀胱內(nèi)的長期滯留和持續(xù)釋放，還保持了BCG的生物活性，通過誘導更持久的TH1型免疫反應顯著提升了抗腫瘤效果。值得注意的是，該平臺技術(shù)具有良好的拓展性，不僅可以用于BCG的遞送，還能夠封裝多種治療劑，如化療藥物、免疫調(diào)節(jié)核酸或工程化外泌體，為膀胱癌的聯(lián)合治療提供了可能。此外通過功能化設計，該系統(tǒng)還可發(fā)展為智能響應型藥物遞送系統(tǒng)，進一步拓展至其他管腔器官疾病的治療領域，展現(xiàn)出廣闊的應用前景。

澤攸科技ZEM系列臺式掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強且經(jīng)濟實用的科研設備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號探測器選擇，適用于形貌觀測和成分分析，還能適配多種原位實驗需求。該設備對安裝環(huán)境要求低，不挑樓層，操作簡單，非專業(yè)人士也能快速上手，且購買及維護成本均低于落地式掃描電鏡，現(xiàn)已成為許多高校、研究所和企業(yè)的選擇設備之一。