精准肿瘤学的核心依赖于两大支柱：能够忠实重现肿瘤异质性与肿瘤微环境(TME)的临床前模型，以及能够实现时空可控、高效且无创干预的治疗策略。患者来源肿瘤类器官(PDTO)通过保留原始肿瘤的基因组特征、组织病理学特征及关键细胞组分解决了前者的问题。与此同时，超声响应纳米材料凭借独特的激活机制、深层组织穿透能力及按需触发的药物释放或多模态治疗效应（如声动力、声热及机械效应），提供了前所未有的治疗可控性。本综述首次系统探讨了这两大前沿领域深度融合所催生的新范式。研究人员首先深入分析了超声响应纳米材料的设计原理及其多样化的生物响应机制，阐明功能化修饰如何实现针对复杂PDTOs微环境的精准靶向。随后聚焦于PDTOs作为评估平台相较于传统模型的根本优势，特别是在模拟药物渗透屏障、治疗反应异质性及联合疗法（尤其是免疫疗法）疗效方面的表现。最后，研究人员批判性分析了当前面临的挑战并对未来方向进行了前瞻性展望。肿瘤类器官与超声响应纳米医学的协同创新正在为精准肿瘤学铺设一条坚实的新路径，推动实现从“患者来源体外模型”到“患者特异性治疗”的关键转化。
本综述系统阐述了超声响应纳米材料与患者来源肿瘤类器官(PDTO)交叉领域的研究进展，旨在构建一个从基础研究到临床转化的精准肿瘤治疗新范式。
1 引言
近年来，超声(US)触发的声动力治疗(SDT)作为一种极具前景的无创治疗手段受到广泛关注。该技术在低强度超声激活下产生致死性活性氧(ROS)以实现有效肿瘤治疗。作为一种新兴的癌症治疗技术，SDT展现出巨大潜力，其具备优异的组织穿透性和高靶向精度，是一种安全便捷的治疗方案。随着声敏剂的进步、超声参数的优化以及对治疗机制的深入理解，SDT有望成为高效的癌症治疗手段。然而，SDT仍面临肿瘤缺氧及治疗效率等挑战，因此探索基于声动力治疗的协同治疗至关重要。纳米技术在医学中的应用旨在通过工程化纳米药物、药物及生物材料的非凡效应开发精准疾病疗法，该技术直接且高效。例如，纳米颗粒可递送细胞毒性化疗药物以提高治疗指数，或改善癌症成像能力。目前，纳米材料的应用范围已扩展至众多创新癌症应用领域，如实现与免疫检查点抑制的协同效应、增强过继性细胞治疗、促进癌症疫苗开发、辅助术中切缘检测以及肿瘤相关分析物的超灵敏检测。得益于纳米技术的重大进展，一系列具有独特ROS调控特性的纳米材料被开发出来，实现了对生物环境中ROS时空动态的精准控制。此外，超声可通过空化效应、热效应和机械效应等机制修饰并激活这些纳米材料，显著提升其性能，推动了新一代治疗策略的发展，特别是利用纳米材料调控体内ROS演化以获取治疗效果。然而，传统的二维细胞培养模型无法完全模拟人体的复杂环境，而动物模型存在种属差异和转化局限性，且缺乏长期稳定性和可扩展性，这些限制阻碍了对超声响应纳米材料治疗应用的探索。精准肿瘤学的最终成功从根本上依赖于能够忠实重现患者肿瘤复杂异质性的临床前模型的开发，同时也依赖于能够在此类模型中高效、可控验证的智能治疗方式。
在此背景下，患者来源肿瘤类器官(PDTO)技术迅速兴起。PDTOs通过在三维细胞外基质中培养患者肿瘤细胞，促使细胞自组织形成微型器官。类器官是能够在体外模拟体内器官结构和功能特征的三维(3D)细胞培养系统。根据其细胞起源，类器官可分为ESC/iPSC来源类器官、正常成体组织类器官和肿瘤类器官。研究表明，源自肿瘤组织的肿瘤类器官在保留亲本肿瘤的关键组织病理学、遗传学和表观遗传学特征方面具有优势。类器官还可作为功能基因组学和癌症表型分析的工具，用于识别新的癌症驱动位点。该技术在药物筛选和深度生物学研究中提供了前所未有的高保真平台，展现出持续增长的巨大潜力和价值。在药物研发中，PDTOs由于对来源肿瘤的高保真度，显著提高了药物筛选的精确度，可缩短开发周期、降低成本并提高药物开发成功率。在生物学研究中，PDTOs是基础科学与临床实践之间的关键桥梁，支持在保留原生组织结构和异质性的背景下研究肿瘤发生和发展机制。
同时，超声响应纳米材料已成为一种有前景的治疗模式。超声刺激具备一系列显著特性：无创性，最大限度减少患者创伤和感染风险；深层组织穿透能力，可触及传统方法无法到达的病灶；提供高时空精度以实现局部干预；且具有优异的生物安全性。纳米材料则通过实现类似精确制导导弹的靶向药物递送提供独特优势。在超声激活下，这些材料可产生多功能治疗效果，包括声动力、声热、机械力或可控药物释放。这种允许对内部治疗进行精确外部操控的“远程可控”特性，使其成为靶向干预的理想工具，有力支持了精准医疗的发展。超声响应纳米材料与PDTO平台的深度融合与协同创新，旨在建立一个闭环的、可预测的精准治疗新范式。一方面，PDTOs为评估超声纳米材料的复杂行为提供了不可替代的、具有临床相关性的人体生物学背景，如其对3D屏障的穿透深度、靶向效率、对异质性细胞群的差异性杀伤以及对免疫微环境的调节作用。另一方面，超声纳米技术作为一种强大的可控刺激手段，显著扩展了类器官平台的功能边界，使其从静态的药物测试模型转变为能够进行物理干预和机制研究的动态模拟平台。
2 超声响应纳米材料
超声响应纳米材料利用超声的热效应和非热效应将药物精确递送至肿瘤组织。当超声作用于纳米载体时，会产生空化效应和机械振动，破坏细胞膜完整性并增强药物内吞。通过用特定配体或抗体修饰纳米载体表面，可提高其对肿瘤细胞的特异性识别和结合能力，从而提高药物递送的效率和准确性。此外，纳米材料还被用于制备超声造影剂和诊断探针，以增强图像清晰度和诊断准确性。
2.1 超声的物理效应及其生物医学应用
超声相互作用的机制包括空化微泡(MBs)、声致液滴汽化、声辐射力、局部热效应、活性氧生成、声致发光和声孔效应。目前，声动力治疗(SDT)结合超声增敏剂是常用的癌症治疗方法之一。该方法利用低强度聚焦超声、氧气和超声增敏剂协同作用产生活性氧进行治疗，利用超声波的深部组织穿透特性，提供无创且空间精确的治疗效果。声动力治疗是一种利用声敏剂和超声的协同治疗模式，主要依赖空化触发的化学反应，其主要细胞毒性机制涉及大量活性氧(ROS)的产生。在特定频率和强度下，超声穿透组织定位并激活聚集在肿瘤部位的声敏剂，从而产生声致激发。生成的ROS，特别是单线态氧，具有强氧化能力，攻击并损伤脂质、蛋白质和DNA等关键生物大分子，导致线粒体功能障碍、内质网应激，最终诱导包括凋亡和坏死在内的多种程序性细胞死亡形式。
2.2 超声响应纳米材料的分类及协同机制
纳米材料因其直径小、比表面积大，可高效结合药物并精确控制其释放。目前，该领域已开发出纳米气泡、液滴、胶束和纳米脂质体等新型载体。在设计各种用于药物递送的超声(US)响应纳米载体时，使用了多种有机和无机材料，包括蛋白质、脂质体、聚合物、聚合物-脂质杂化物、相变材料等。聚合物纳米颗粒尺寸在10至10,000 nm之间，表现出胶体性质，可由天然聚合物（如白蛋白、明胶、胶原蛋白等多糖，或海藻酸盐、壳聚糖、葡聚糖）组成，也可由合成聚合物制成，这些聚合物通常自组装并可设计成不同的复杂程度。随着纳米技术的发展，现在可以设计出更复杂、多功能的纳米载体，实现条件触发释放、多种药物共递送以及肿瘤标志物识别。根据其组成、结构以及与超声相互作用的主要机制，这些纳米载体可分为特定类别。微泡和纳米泡主要通过惯性或稳定空化发挥作用，其主要优势在于可作为高效的超声成像造影剂，同时产生强大的机械力。在类器官研究中，这转化为一种独特的能力：可视化药物穿透复杂3D细胞外基质的动态过程。此外，振荡气泡对细胞间连接施加的机械应力可以在实时中被精确研究，为了解机械力如何在接近生理的背景下调节组织完整性和信号传导提供了前所未有的见解。与机械作用剂不同，无机纳米材料如二氧化钛和二硫化钼主要通过声动力效应介导其作用，即在超声激发下催化产生活性氧(ROS)。其稳定的理化性质确保了性能的一致性。PDTOs的3D结构为利用这一机制进行关键研究提供了理想平台：量化ROS的扩散距离和空间分布。对于热疗，声热转换材料如金纳米棒和碳基结构能将超声能量高效转化为热能。在类器官研究中使用这些材料的主要优势在于其能够时空精确地控制局部过热。这使得研究人员能够在复杂的3D组织中研究热诱导的生物现象，如免疫原性细胞死亡(ICD)。科学家可以对类器官的特定区域施加受控的热剂量，并监测随后损伤相关分子模式的释放及其对共培养免疫细胞的影响，从而模拟原位疫苗接种场景。最复杂的方法是多功能杂化材料，其在聚合物或脂质基质中整合了各种组分（如药物、无机纳米颗粒），旨在实现多机制协同，结合空化、热声和可控药物释放等效应。这些纳米材料通过与超声的协同相互作用实现倍增的治疗效果。通过表面修饰（如靶向配体）实现主动靶向，或利用肿瘤EPR效应实现被动靶向，从而提高靶向和积累。超声进一步通过声孔效应和机械力促进纳米材料渗透到肿瘤组织及其细胞内化。产生的ROS和热可以消耗谷胱甘肽并损伤线粒体，不仅可以直接杀死肿瘤细胞，还可以调节免疫微环境（如诱导免疫原性细胞死亡），将“冷”肿瘤转化为“热”肿瘤，并增强免疫治疗。这种深度融合推动肿瘤治疗朝着更精准、更高效和更可控的方向发展。
2.3 诊疗一体化与实时监测
超声响应材料具有内在的诊疗一体化潜力。微泡作为优秀的超声造影剂，可以实时、无创地监测类器官中材料的分布、积累和释放过程。更先进的多模态设计——如结合了荧光、光声或磁共振成像能力的设计——在光学层面提供高分辨率验证。在类器官实验中，这种实时成像能力使研究人员能够动态可视化治疗过程，包括药物释放、ROS爆发和温度升高，同时量化治疗反应的时空异质性。此外，它还有助于建立剂量（超声参数、材料浓度）与效应（杀伤范围、深度）之间的定量关系，从而为后续的动物实验和临床研究提供精确的起始参数。
2.4 挑战与优化方向
尽管超声响应材料在类器官应用中前景广阔，但挑战依然存在。在3D类器官中，超声的衰减、散射和聚焦效应与均质溶液或动物组织不同。必须建立标准化的超声暴露方案以确保实验的可重复性。例如，Wei Tao团队利用硫化亚锡纳米颗粒(SnSNPs)作为高效纳米超声增敏剂，为治疗纤维增生性三阴性乳腺癌(TNBC)开辟了新途径。Han Wang团队开发了基于全转铁蛋白(holo-Tf)的新型纳米平台，原位生长二氧化锰，表现出令人满意的生物相容性和生物安全性。Samira M. Azarin团队开发了功能化石墨烯纳米带，用于阻断卵巢癌球体粘附并进行声动力消融。Jun Kang团队制备了肿瘤微环境(TME)响应的CaCO3@Pt-TiO2纳米复合材料(CaPT)作为声敏剂，用于钙离子过载联合声动力免疫治疗。Qinqin Huang团队设计了多功能水凝胶(PB+Ce6@Hy)，能够同时递送纳米酶普鲁士蓝(PB)和声敏剂氯e6(Ce6)，以实现光热治疗(PTT)并增强声动力治疗(SDT)效果。Nidalong团队合成了一种新型超声增敏剂(Cu(II)NS)，由卟啉、螯合Cu2+和聚乙二醇(PEG)组成。肿瘤中谷胱甘肽的过表达可将Cu2+还原为Cu(I)NS，导致单线态氧的生成并恢复声敏感性。此外，PEG修饰延长了Cu(II)NS在血液中的半衰期并增强了其在肿瘤中的积累，进一步提高了声动力治疗(SDT)的治疗效果。为了有效增强免疫检查点阻断(ICB)治疗，Li Pan团队开发了TPP ALG，一种超声响应、可视化的原位凝胶水凝胶纳米复合材料。这种创新材料通过将相变纳米颗粒与海藻酸盐溶液混合制成，能够重塑细胞外基质(ECM)，同时提供曲尼司特的受控递送。TPP ALG在适应性增强ICB治疗方面显示出前景，并在促进ECM正常化方面表现出优越的益处。总之，超声响应纳米材料的设计正朝着智能化、多功能化和精准化应用方向发展。
3 肿瘤类器官模型
类器官是从细胞中构建的简单组织工程模型，可以在许多方面复制相应体内组织的复杂结构和功能特征。这些模型可以被解剖和分析，从而探索人类组织发育、再生和修复的基本机制。源自成体干细胞(ASCs)和多能干细胞(PSCs)的类器官是研究癌症和推进治疗策略的重要临床前模型。此外，类器官在诊断测试、疾病建模、药物筛选和个性化医疗等多个领域都有应用。在2D细胞培养环境中，癌细胞系可能发生显著的基因突变，无法完全捕获原始癌症的遗传异质性。此外，2D培养受限于缺乏基质环境和缺乏正常组织细胞进行比较。3D培养技术的不断进步显著推动了人类生理癌症模型的研究。类器官可以起源于多能胚胎干细胞、诱导多能干细胞或成体干细胞，也可以直接源自患者的特定组织样本。这些细胞或组织在三维体外培养环境中可以分化成多种细胞类型，表现出与真实器官相似的特征和组织学结构，有时难以将其与真实器官区分开来。作为一种研究人体解剖学和疾病机制的前景广阔的模型，类器官有望在临床前药物开发中得到广泛应用。肿瘤类器官在表型和遗传学上与衍生它们的肿瘤相似。此外，患者来源肿瘤异种移植模型(PDTXs)可以更好地模拟人类肿瘤微环境，通过肿瘤类器官观察纳米医学治疗过程将提供更接近人类药物反应的见解。患者来源肿瘤类器官(PDTOs)具有很高的价值，因为它们能够从患者肿瘤组织中自发组装成三维结构，在体外长期扩增，同时保留原始肿瘤的基因组图谱、细胞异质性、组织病理学结构以及肿瘤微环境(TME)的关键组分。这为评估复杂的生物物理和生物化学相互作用提供了真实的场景。
3.1 类器官的发展
自1998年Thomson成功分离出首个人类囊胚来源的胚胎干细胞系以来，干细胞研究领域发生了重大演变。Sasai领导的研究小组首次提出，多能细胞可以在3D系统中分化并产生高度复杂的组织结构，模拟正常组织和器官的发育过程。Yoshiki Sasai在3D环境中模拟胚胎发育的前瞻性概念开创了类器官研究领域。Hans Clevers实验室进一步推进了这一领域，将真正的类器官定义为源自干细胞的、体外从头发育的3D自组织组织。此后，利用多能干细胞建立了来自人类和小鼠的消化道和肾脏类器官。在随后的十年中，研究迅速扩展到其他器官，如脑、肝和胰腺。值得注意的是，在2013年至2015年间，成功从结直肠癌、乳腺癌和胰腺癌等多种癌症中衍生出患者来源肿瘤类器官(PDTOs)，证明了它们保留了患者特异性的遗传学和组学特征。这一时期也验证了PDTOs对药物反应的预测价值，与回顾性研究中的患者结果相关。随后，焦点转向复杂性和整合：研究人员开始构建复杂的共培养系统以纳入免疫和基质细胞（2017-2018年），将这些系统与微流控技术合并，创建用于精确微环境控制的“器官芯片”平台，并应用CRISPR-Cas9进行基因编辑。最近，该领域已进入高通量自动化、多组学整合和“数字孪生”概念开发的阶段，人工智能通过分析高内涵成像数据来预测药物敏感性。这一轨迹，从基础生物学发现到药物发现和个性化医疗的多面平台，强调了其对肿瘤学研究的变革性影响。
3.2 重现药物递送的多重屏障
PDTOs致密的三维结构和自分泌的ECM为研究超声响应纳米材料的递送效率、渗透行为和克服屏障机制提供了一个近乎理想的体外模型。通过将PDTOs与荧光标记或染料负载的超声响应纳米材料共孵育后进行超声刺激，可以利用共聚焦激光扫描显微镜进行三维成像，定量分析渗透深度、空间分布均匀性以及在特定细胞亚群（如核心细胞与外周细胞）中的积累差异。这对于优化纳米材料的尺寸、表面电荷和形态以增强渗透性至关重要。超声响应材料（如微泡）产生的空化效应可以在物理上疏松ECM并瞬时降低间质压力。在PDO模型中，可以直接测量超声照射前后纳米颗粒渗透的变化，从而验证和量化这种声学增强的递送效应，用于联合治疗。在更先进的血管化肿瘤类器官模型中，可以研究超声响应纳米材料从类器官内皮网络“外渗”并随后扩散通过肿瘤实质的整个过程，从而在体外模拟完整的体内递送途径。
3.3 揭示治疗反应的异质性
瘤内异质性是治疗失败和耐药的重要因素。患者来源类器官(PDOs)可以捕获并维持这种治疗反应的异质性，使其成为评估超声纳米疗法对不同肿瘤细胞亚群差异效应的独特工具。对经超声响应纳米材料处理的PDOs进行单细胞测序或流式细胞术分析，可以识别出敏感和耐药的细胞簇。例如，研究人员可以调查声动力治疗产生的活性氧是否优先清除高代谢的增殖细胞，同时保留静止的癌症干细胞，或者探索声热疗法的差异性杀伤阈值。PDOs还支持长期的体外“治疗-复发”实验。通过应用多轮超声纳米疗法，可以观察和存活细胞群的克隆进化，并分析与获得性耐药相关的基因和通路变化，为设计预防耐药的疗法提供新见解。
3.4 评估肿瘤类器官中的免疫治疗
免疫治疗的疗效在很大程度上依赖于完整的肿瘤免疫微环境，这是动物模型和2D共培养的一大局限。通过将自体或同种异体免疫细胞与患者来源类器官(PDOs)共培养，我们可以创建“免疫类器官”或“免疫-肿瘤类器官”，以评估超声响应纳米材料如何调节免疫微环境及其与免疫检查点抑制剂的协同作用。这些纳米材料触发的声动力治疗可以诱导免疫原性细胞死亡(ICD)，导致肿瘤相关抗原的释放。在免疫-PDO共培养系统中，我们可以直接观察和量化树突状细胞的成熟和抗原呈递，以及随后细胞毒性T淋巴细胞的激活、增殖和肿瘤浸润能力，为原位疫苗效应提供直接证据。超声响应纳米材料可以通过多种机制重塑免疫微环境，包括消耗调节性T细胞、将肿瘤相关巨噬细胞从M2表型重编程为M1表型，以及破坏物理屏障以增强T细胞浸润。这些变化可以在免疫共培养类器官模型中通过细胞因子谱分析、流式细胞术免疫表型和空间成像进行系统评估。
3.5 类器官芯片技术
类器官芯片可广义地描述为专门设计的微工程细胞培养装置，用于在受控的实验室环境中模拟人类器官的功能单元。类器官芯片技术采用微流控方法复制人类器官的结构和功能，有助于研究癌症的生理和病理过程。微流控“类器官芯片”平台集成了流体剪切应力以模拟血液途径的药物递送，并允许对治疗动态进行实时、高内涵成像。高通量和自动化是指患者来源类器官(PDO)在多孔板中的小型化和标准化培养，并与自动化液体处理、高通量超声暴露装置和高内涵成像系统集成。这使得能够对超声纳米疗法进行大规模、并行筛选，以快速确定针对特定患者来源类器官的最有效的材料配方和超声参数。这些例子说明了类器官芯片技术在肿瘤研究中的多功能性。此类应用不仅加深了我们对肿瘤生物学的理解，还提高了针对个体患者量身定制治疗方案的精确度。
3.6 人工智能赋能的类器官
人工智能在类器官研究中的应用正在逐步推进，为研究类器官提供了新的技术手段和方法论。人工智能算法可以被训练用于快速准确地分析类器官图像，评估其结构和功能，这为理解机制和开发新的治疗方法提供了宝贵的见解。人工智能在类器官研究中的应用还包括优化生长条件、预测干细胞向特定细胞类型的分化以及预测类器官的分化。例如，卷积神经网络(CNN)模型DenseNet 121可以基于简单的明场图像分析，准确预测人类诱导多能干细胞衍生的肾类器官的分化。这种方法是无创且无损的，有可能加速肾类器官技术从实验室向临床的转化。人工智能技术被用于优化类器官培养条件，通过利用大数据分析和机器学习算法创建更高效、更高质量的类器官模型。人工智能技术预测微环境条件如何影响细胞行为，从而加速类器官的开发。总之，人工智能在类器官研究中的应用正在推动从实验室到临床实践的转变。它
