综述：水凝胶递送系统治疗胰腺癌的最新进展

本综述系统阐述了水凝胶递送系统在胰腺癌治疗中的前沿进展。作为三维交联聚合物网络，水凝胶凭借高含水量、可调控理化特性及卓越生物相容性，为克服胰腺导管腺癌（PDAC）的致密基质屏障、缺氧微环境（TME）及免疫抑制提供了创新解决方案。文章重点探讨了其在局部化疗、免疫调节（如CAR-T、PD-1）、光热/光动力疗法（PTT/PDT）及组织工程支架中的应用，通过响应TME刺激（pH、酶等）实现按需释药，显著增强抗肿瘤疗效并降低系统毒性，为突破PDAC治疗瓶颈提供了新范式。

1. 引言

胰腺导管腺癌（PDAC）是全球最具侵袭性和致死性的恶性肿瘤之一，五年总生存率低于10%，主要归因于晚期诊断、侵袭性进展及对传统疗法的固有耐药性。其致密的促纤维增生间质、缺氧酸性肿瘤微环境（TME）及深度免疫抑制严重限制了药物渗透和疗效。水凝胶作为具有高含水量、生物相容性和可调理化特性的三维交联聚合物网络，已成为PDAC局部和持续药物递送的多功能平台。定制化设计使水凝胶能够响应TME刺激，实现按需释放并最小化系统毒性。近年进展展示了其在递送化疗药物、免疫调节剂、光敏剂和基因载体方面的效用，以及作为组织工程和细胞治疗支架的功能。这些多功能系统增强瘤内药物积累、重塑TME并协同多模式治疗以提高抗肿瘤疗效。临床前研究显示出显著肿瘤抑制和减少复发的良好安全性。然而，长期生物安全性、可扩展制造和精确体内递送方面仍存在挑战。

2. 胰腺癌概述与分子机制

2.1. 流行病学与病理生理学

胰腺癌在全球范围内发病率和死亡率持续上升，据WHO统计，其发病率居全球癌症第十二位，但死亡率居第六位，反映了其极高的致死性。2021年全球报告约50.8万新病例和50.5万死亡病例，凸显其近乎1:1的发病-死亡率比。PDAC占病例的85%以上，其特征是极度恶性且预后差，全球5年生存率低于10%。晚期诊断仍是关键障碍，因症状非特异性且胰腺解剖位置深，阻碍早期筛查和明确诊断。因此，大多数患者诊断时已处于晚期，错过治愈性手术切除的机会。尽管手术、放疗、化疗及靶向治疗和免疫治疗等新兴模式取得进展，但其疗效仍严重受限。这主要归因于PDAC独特的TME，其特征是广泛的促纤维增生、显著缺氧、血管化差和显著免疫抑制，加之高度分子异质性和固有耐药性。现有治疗方案常产生次优结果，伴有严重不良反应，并常导致快速肿瘤复发和进展。

2.2. 胰腺癌发病机制与分子标志物

胰腺癌的启动和进展是一个高度复杂的过程，涉及多步骤、多样分子事件及关键信号通路的累积改变。PDAC通常起源于胰腺导管上皮细胞的癌前病变，即胰腺上皮内瘤变。这些病变通过遗传和表观遗传改变的逐渐积累进展为浸润性癌。在众多分子事件中，KRAS基因的激活突变被认为是PDAC最早和最普遍的遗传事件之一，突变率高达90%。它驱动细胞增殖、代谢重编程和免疫逃避，从而作为关键的起始突变。TP53突变存在于约一半至四分之三的患者中，导致肿瘤抑制功能丧失和获得促转移及治疗耐药的致癌特性。SMAD4基因的突变或缺失也在PDAC启动和进展中起关键作用。作为转化生长因子-β（TGF-β）信号通路的核心组件，SMAD4突变或丢失导致细胞无法有效响应生长抑制信号，从而促进肿瘤细胞侵袭、转移和治疗耐药性的发展。CDKN2A基因的突变或缺失同样是PDAC常见的遗传事件，与患者不良预后密切相关。

分子生物学和基因组学的最新进展阐明了胰腺癌的复杂分子异质性，推动了诊断、预后和预测性分子生物标志物的加速发展。循环肿瘤DNA（ctDNA）和液体活检等非侵入性方法显示出早期检测和实时疾病监测的潜力。在缺氧和炎症条件下STAT3等通路的激活，以及如“STRESS”表达谱，与肿瘤进展和治疗反应相关。这些分子见解不仅加深了对PDAC发病机制的理解，还提供了潜在治疗靶点。水凝胶基系统通过实现对特定分子通路或肿瘤生物标志物的局部和可控药物递送，有望克服传统治疗限制并提高胰腺癌治疗精度。

2.3. 微环境特征

胰腺癌独特的TME是其对常规疗法固有耐药的主要贡献者，同时为合理设计新治疗策略提供了关键见解和机会。PDAC的TME异常复杂，由恶性癌细胞、多样基质细胞、各种免疫细胞和致密错综的细胞外基质组成。PDAC微环境最突出的特征是其广泛的促纤维增生。这种纤维化表现为高度密集的胶原纤维和其他细胞外基质组分网络，主要由活化的胰腺星状细胞（PSCs）介导。这种纤维化间质显著增加间质压力，损害血管灌注，并限制化疗和免疫药物的渗透，导致深度耐药。另一定义特征是免疫抑制，由髓源性抑制细胞（MDSCs）和肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）介导，抑制抗原呈递和效应T细胞活性，导致“免疫冷”表型，对免疫治疗反应差。缺氧也是PDAC肿瘤微环境的核心和普遍特征。 resulting低氧张力和酸性环境促进上皮-间质转化（EMT）、基因组不稳定性和降低药物生物利用度，进一步强化治疗耐药。

胰腺癌在分子和细胞水平上表现出高度多样性。单细胞RNA测序分析揭示，多个遗传 distinct肿瘤克隆可在单个胰腺肿瘤内共存，每个克隆展现不同转录状态和生物学特性。 Notably，高达63%的体细胞突变可能在单个肿瘤内显示异质分布。这种高度异质性 dramatically增加治疗失败风险，并通过提供适应性克隆库驱动耐药性快速出现。

总之，PDAC复杂的微环境特征不仅构成对常规治疗的 formidable物理和生物屏障，也为新兴治疗策略提供 specific设计靶点和机会。例如，响应TME特征的智能水凝胶药物递送系统有望克服药物渗透限制并增强整体治疗疗效。同时，负载免疫调节剂的水凝胶平台可有效逆转肿瘤微环境的免疫抑制状态，从而从根本上改善胰腺癌的治疗前景。

3. 胰腺癌的传统治疗策略

尽管积极治疗干预，传统胰腺癌治疗模式，包括手术、化疗和放疗，通常产生有限疗效并常伴有显著副作用。这些限制因疾病的独特生物学特征而加剧。手术切除仍是胰腺癌唯一潜在治愈性治疗。然而，如前所述，仅15%至20%的病例在诊断时适合手术切除。即使 after治愈性胰十二指肠切除术，肿瘤复发率极高，高达80%的患者经历疾病复发。一项聚焦术后存活至少60个月的长期幸存者的研究表明，29.4%的这些患者仍经历肿瘤复发，中位复发时间49个月。这些复发常无症状，可表现为局部复发或远处转移。即使对少数适合手术的患者，高复发率表明微小残留疾病持续存在或疾病快速进展，对手术干预的长期疗效构成严重挑战。

化疗提供一些生存益处，但其整体改善有限，且伴有显著系统毒性。耐药机制多样复杂，涵盖遗传和表观遗传修饰、 altered药物代谢和 efflux，及肿瘤微环境内的动态变化。具体例子包括因hENT1转运体问题导致的吉西他滨摄取不完全、胞苷 deaminase 增加的失活，及ABC转运体家族等 efflux泵的作用。放疗也是治疗范式的一部分，但其疗效受胰腺解剖位置及其邻近放射敏感性胃肠道器官的限制。历史上，胃肠道毒性是胰腺癌放疗剂量递增的主要限制因素。更严重但不常见的副作用包括出血和溃疡，而穿孔极其罕见（<1%）。放疗的高毒性进一步限制其应用， particularly当与其他治疗模式结合时。

尽管免疫治疗在治疗各种癌症方面取得革命性进展， characterized by高效力和可耐受毒性谱，PDAC通常被认为对免疫治疗方法相对不敏感。PDAC的平均5年生存率低于10%，且对现有治疗模式如手术、放疗和化疗表现出“显著耐药”。这种有限反应主要归因于PDAC是一种“免疫学冷”肿瘤，缺乏使肿瘤细胞被免疫系统识别的丰富突变。这种缺陷导致癌症抗原呈递不足、弱或无免疫反应及T细胞浸润不足。这种悖论表明，简单将其他癌症成功的免疫治疗策略外推至PDAC是不够的，因为胰腺癌独特的TME对免疫细胞浸润和激活构成深远屏障。

有效治疗的主要障碍是PDAC的异常TME。这种TME以广泛促纤维增生为特征，形成致密纤维化肿瘤间质。这种促纤维增生反应产生高间质肿瘤压力，损害血管化，并创建物理屏障，阻碍药物递送和诱导化疗耐药。TME也表现出差血管化，导致显著肿瘤缺氧。PDAC肿瘤的细胞组成也揭示其复杂性：约35%为癌细胞，26%为成纤维细胞和PSCs，12%为ECs。更重要的是，患者间（肿瘤间）和单个肿瘤内（肿瘤内）的极端细胞异质性显著增加临床试验中治疗失败的可能性。单细胞RNA测序揭示了单个肿瘤内多个遗传 distinct肿瘤克隆的共存，展现多样转录状态和亚型特征。这种复杂生物景观使“一刀切”治疗方法 largely无效， urgently需要能够适应或利用这种固有异质性的个性化治疗策略。

4. 水凝胶在胰腺癌治疗中的应用

传统疗法的深远限制和胰腺癌呈现的复杂生物屏障 underscore急需创新治疗策略。水凝胶凭借其独特理化特性和多功能性，正迅速崛起为有前途的平台以克服这些挑战并实现更有效、靶向的胰腺癌治疗。水凝胶是软质三维网络材料，由众多亲水单体组成，能够吸收和保留大量水和生物流体。水凝胶可被设计为响应TME内的特定触发器，如pH、温度或酶，从而实现靶向药物递送并减少系统毒性。可注射水凝胶为原位化疗药物递提供微创方法，代表一种新型癌症治疗方法，通过增加肿瘤部位药物浓度同时最小化系统副作用。水凝胶纳米复合材料可通过主动 transcytosis 和被动扩散的组合进一步改善药物在肿瘤内的渗透和保留时间。这些特性直接对抗 formidable TME屏障并解决传统疗法相关的系统毒性问题，为胰腺癌治疗提供新可能性。水凝胶正被广泛探索用于各种先进治疗模式，包括小分子药物治疗、免疫治疗和基因治疗。它们能够封装和控制免疫调节分子、免疫细胞和环境调节剂的释放， thereby增强免疫治疗的整体反应率，这对“冷”PDAC肿瘤尤为关键。纳米水凝胶和其他功能化材料的发展代表一种新兴趋势，旨在改善靶向药物的负载和释放效率， thereby解决致密PDAC间质内药物渗透和分布的挑战。纳米技术与水凝胶的整合为药物递送系统提供新方法，通过改善药物靶向和释放效率。这种整合方法，结合水凝胶的独特特性和PDAC的特定挑战，为未来治疗提供强大途径。水凝胶作为“智能”解决方案，可响应TME内的特定信号并增强药物对肿瘤的渗透，赋予它们克服PDAC物理和生物屏障的 distinct优势。此外，水凝胶递送免疫调节剂的能力使其成为将“免疫学冷”肿瘤转变为“免疫学热”肿瘤的关键策略， thereby放大免疫治疗在PDAC中的疗效。这种多功能平台有望通过实现靶向和局部递送， coupled with肿瘤微环境的精确调节，显著改善胰腺癌治疗结果。

4.1. 水凝胶的分类与制备

水凝胶通常基于其组成来源和对外部刺激的响应性进行分类。从组成角度，水凝胶可大致分为天然聚合物水凝胶和合成聚合物水凝胶。天然聚合物水凝胶，如透明质酸、藻酸盐、壳聚糖、胶原蛋白和明胶，源自生物来源，通常表现出优异生物相容性、生物可降解性和低免疫原性。一些天然聚合物还具有内在生物活性，支持细胞生长和功能维持。然而，它们在机械性能和批间一致性方面可能存在限制。合成聚合物水凝胶，包括聚乙二醇、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇，由人工合成聚合物组成。其主要优势在于通过受控聚合物结构和聚合条件精确可调其理化特性，提供增强的可重复性和功能多功能性。为调和天然材料的生物学优势与合成材料的可调性，混合天然-合成水凝胶出现，结合两者优势。

除了组成分类，水凝胶的内在理化特性在胰腺癌治疗中起决定性作用。关键特征如孔隙率、刚度、可降解性和对刺激的响应性直接影响药物负载能力、扩散和释放动力学。例如，具有确定孔结构的胶原基水凝胶已显示在类肿瘤基质中调节药物渗透和保留。类似地，合成聚合物水凝胶提供高度可调降解速率，实现对治疗暴露持续时间的精确控制。刺激响应水凝胶， particularly，被设计为在酸性和缺氧PDAC微环境中经历结构转变，实现按需释放并最小化系统毒性。如图3所示，水凝胶可被制成多样形态形式，包括球形微凝胶、薄膜和 bulk凝胶网络，每种展现 distinct孔隙率和交联密度。‘9点’胶原凝胶示意性表示具有离散孔或负载有效载荷微域的胶原基支架，突出孔结构和区室化如何 governing扩散途径。这些结构变化直接影响其机械强度、溶胀行为和药物扩散能力。

基于其对外部刺激的响应性，水凝胶可分为非刺激响应和刺激响应（“智能”）水凝胶。对于胰腺癌治疗，其中TME通常以酸性、缺氧、高酶活性和 distinct温度梯度为特征，智能水凝胶可被设计为在这些病理条件下选择性地溶胀、降解或释放药物。这实现按需药物释放和精确空间靶向，显著提高治疗特异性同时最小化脱靶毒性。水凝胶制备方法多样，涵盖自由基聚合、离子交联、化学交联、物理交联、酶催化交联和先进点击化学技术。通过精确控制制备参数，如单体和交联剂浓度、引发剂类型、反应温度、pH值和聚合时间，研究人员可精细调整水凝胶的孔结构、溶胀能力、机械强度、降解动力学及药物封装效率和释放 profile。如图4所示，此类水凝胶形成多种治疗模式的基础，包括化疗、免疫治疗、基因治疗和光动力或光热治疗，通过在PDAC微环境内提供局部、可控和肿瘤特异性递送治疗剂。

4.2. 水凝胶介导的化疗

水凝胶在胰腺癌治疗中一个重要且高度有前途的应用方向是作为化疗药物和放射增敏剂的局部递送系统，促进化疗和放疗的有效协同增强。由于其独特生物学特性，如致密肿瘤间质、缺氧微环境和高侵袭性，胰腺癌常对单模式放疗或系统化疗表现出显著耐药，导致次优治疗结果。水凝胶的引入提供创新解决方案以克服这些 formidable挑战。通过将化疗药物或特定放射增敏剂封装在水凝胶内，这些活性物质可被精确递送以在肿瘤部位持续、 prolonged释放。这种局部高浓度递送策略，与常规系统给药相比，显著增加瘤内药物暴露，更有效根除肿瘤细胞同时最大化减少对正常组织的药物毒性和系统不良反应。具体地，水凝胶介导的化疗放射增敏剂递送可通过多种机制协同增强放疗效果。例如，某些化疗剂可抑制肿瘤细胞DNA修复机制，使癌细胞对辐射诱导DNA损伤更敏感；或者，它们可 arrest细胞周期， trapping癌细胞在对放疗更敏感的相位。此外，水凝胶可递送能够改善肿瘤微环境的物质，如减少缺氧或改变基质架构， thereby改善有效辐射渗透和肿瘤细胞杀伤。这种“双管齐下”策略旨在克服胰腺癌的固有治疗耐药，通过局部高浓度药物作用和多种协同机制显著增强治疗的深度和广度，从而改善患者预后。

杨等人开发了一种基于聚（乳酸-共-乙醇酸）-聚（乙二醇）-聚（乳酸-共-乙醇酸）（PLGA-PEG-PLGA，以下简称PPP）的可降解温敏水凝胶药物递送系统，并巧妙将其与内镜超声引导细针注射（EUS-FNI）技术整合，成功实现胰腺癌的局部持续化疗。该系统使用吉西他滨（GEM）作为核心化疗剂，利用水凝胶的温敏特性在肿瘤部位形成长效、缓释药物储库。该策略显著增强化疗疗效同时有效降低系统毒性，为未来化疗与其他模式联合治疗奠定潜在基础。PPP水凝胶系统在室温（25°C）下呈液态，允许通过注射器方便注射； upon进入人体（37°C），它迅速经历溶胶-凝胶相变，形成半固体药物储库（相变温度37.3°C，非常接近人体温度）， thereby有效防止药物快速扩散。关于药物释放性能，体外实验证明GEM从该水凝胶实现持续释放：在中性环境（pH 7.4），7天累积释放率高达85.49%；即使在酸性环境（pH 5.0），7天累积释放率为79.51%。体内实验，通过Cy5.5荧光标记验证，确认药物在水凝胶内的保留时间显著长于游离GEM（168小时后肿瘤部位仍可检测到荧光，而游离药物72小时后几乎完全消失）。此外，体内降解研究表明水凝胶在小鼠皮下稳定存在28天，降解过程中无明显炎症或组织损伤，其降解产物也展示良好生物安全性。 coupled with内镜超声引导的精确注射，研究人员能够实时监测药物在肿瘤内的分布：注射后，GEM/PPP水凝胶在肿瘤内形成局部和分层高回声区域，注射过程中无针堵塞或药物外渗，成功解决常规局部注射中药物快速扩散的问题。关于体外抗肿瘤效果，该系统对PANC-1胰腺癌细胞增殖表现出显著抑制效果，72小时后细胞活力仅为空白对照组的34.75%，凋亡率高达51.49%。同时，水凝胶系统也有效抑制细胞迁移（24小时迁移率仅6.83%）和侵袭（侵袭细胞数仅为游离GEM组的55.81%）。在胰腺癌异种移植小鼠模型中， following精确EUS-FNI注射，系统显著减少肿瘤重量75.96%，小鼠平均生存期延长14.4天，达到中位生存42.4天。更重要的是，小鼠在治疗期间未表现显著系统毒性，主要器官未见明显损伤，展示其良好安全性。该研究不仅为胰腺癌精确化疗提供高效新方法，还提供关键EUS成像数据，作为该技术未来转化为临床试验的重要参考。

侯等人开发了一种新型无载体水凝胶（DA-gel），独特由天然小分子腺苷（Ado）和3,4-二羟基苯甲酸（DHB）的分子共组装形成，旨在实现胰腺癌高效局部化疗。该水凝胶脱离传统外源载体或复杂化学修饰，仅依靠分子间氢键和π-π堆积相互作用自组装成稳定三维网络。它同时拥有优异可注射性、温敏响应性和生物相容性，为局部持续释放和协同增强化疗药物提供高度有前途的新平台。在制备方面，DA-gel通过加热Ado（0.1 M）和DHB（0.2 M）在水中以2:1摩尔比直至溶解，随后冷却至4°C快速形成。凝胶时间仅1小时，比Ado alone形成的水凝胶（Ado-gel）减少50%。扫描电镜分析显示DA-gel展现紧密交织纤维网络结构，纤维直径约37 nm，证明比Ado-gel的断裂纤维结构更大稳定性。流变测试进一步确认DA-gel的储能模量（G'）是Ado-gel的10倍，且在5%应变下保持凝胶状态（而Ado-gel在1%应变被破坏），展示优异机械强度和稳定性。体外释放实验表明DA-gel可在37°C持续释放Ado长达16天，累积释放率高达90.8%，且释放速率比Ado-gel快20%，确保在肿瘤部位维持持久有效药物浓度。DA-gel通过双重机制显著增强化疗疗效。首先，水凝胶有效抑制肿瘤细胞自噬：治疗24小时后，自噬标志物LC3-II/LC3-I比率降至0.32（对比混合溶液组0.65），而KRAS蛋白表达减少60%， thereby有效阻断肿瘤细胞的能量循环和生存机制。在胰腺癌小鼠模型中，瘤内注射DA-gel（含Ado 32 mg/kg, DHB 37 mg/kg）15天后，肿瘤体积比模型组显著减少82.4%，肿瘤重量降至0.21 g（对比模型组1.18 g），证明肿瘤抑制显著优于混合溶液组（肿瘤抑制率仅56.7%）。TUNEL染色结果显示DA-gel组凋亡细胞比例达42.3%，是混合溶液组的1.8倍，而Ki67阳性增殖细胞比例显著降至18.5%。其次，DA-gel也通过诱导线粒体损伤促进癌细胞凋亡：线粒体膜电位（MMP）显著降低72%，细胞内ATP水平降低58%，这些变化共同触发肿瘤细胞的内源性凋亡通路。总之，侯等人通过天然小分子共组装构建的DA-gel在胰腺癌模型实现高效低毒治疗效应， owing to其优异局部保留和强效协同化疗作用， thereby为无载体水凝胶介导的局部化疗提供新范式。详细定量数据充分验证该共组装策略在增强药物递送效率和显著提升抗肿瘤活性中的关键作用。

虽然水凝胶介导的局部化疗提供持续药物释放和降低系统毒性，其对高度促纤维增生PDAC间质的渗透仍有限。此外，小鼠肿瘤模型与人类肿瘤微环境间的差异可能导致临床环境中药物分布和疗效的变化。

4.3. 水凝胶介导的免疫治疗

水凝胶在胰腺癌治疗中另一尖端应用是作为化疗药物和免疫治疗药物的共递送平台，旨在实现化疗诱导肿瘤细胞死亡和抗肿瘤免疫反应的协同激活。胰腺癌TME以高度免疫抑制闻名，这常使单模式免疫治疗无效。水凝胶基策略可有效克服这一 formidable屏障。水凝胶可精确局部递送化疗药物至肿瘤，这些药物不仅直接杀死癌细胞，更重要的是可诱导免疫原性细胞死亡（ICD）。在ICD期间，垂死癌细胞释放各种危险相关分子模式（DAMPs），如ATP、HMGB1和钙网蛋白。这些DAMPs作为“危险信号”，能够招募和激活抗原呈递细胞如树突状细胞（DCs）， thereby促进肿瘤抗原摄取和呈递。同时，水凝胶可共递送免疫佐剂如TLR激动剂或STING激动剂，或免疫检查点抑制剂如PD-1/PD-L1抑制剂和CTLA-4抑制剂。免疫佐剂可进一步增强免疫细胞激活和肿瘤抗原呈递效率， thereby启动 robust先天和适应性免疫反应。免疫检查点抑制剂则可释放肿瘤对T细胞的抑制，恢复其细胞毒功能。通过水凝胶的局部和持续释放特性，这种组合 chemo-免疫治疗策略可在单部位长期发挥作用：一方面，化疗剂持续消除肿瘤细胞并诱导免疫原性死亡；另一方面，免疫佐剂或检查点抑制剂持续刺激和激活局部免疫细胞， thereby逆转胰腺癌微环境的免疫抑制状态。这种“双管齐下”方法旨在将“免疫学冷”肿瘤转变为“免疫学热”肿瘤， thereby在PDAC中引发持久强效抗肿瘤免疫记忆以有效抑制胰腺癌生长和转移。

赵等人开发了一种创新双交联免疫刺激水凝胶（(P-aTIGIT&PDA@IL-15)@gel），设计通过局部递送免疫治疗剂实现协同 chemo-免疫治疗，同时解决胰腺癌术后胰瘘（PF）和肿瘤复发的关键问题。该水凝胶以透明质酸为基础，巧妙结合甲基丙烯酸酯-透明质酸-多巴胺（MA-HA-DA）和巯基-透明质酸-多巴胺（SH-HA-DA）的双交联结构，显著增强其机械性能和组织粘附性。在此稳定框架内，水凝胶封装聚多巴胺（PDA）涂层 interleukin-15（PDA@IL-15）和血小板结合抗TIGIT抗体（P-aTIGIT），从而实现局部、持续免疫调节效果。关于药物递送和释放性能，水凝胶展现精确可控释放特性：P-aTIGIT在凝血酶激活下缓慢释放，72小时累积释放率约60%，速率显著低于