在纳米尺度上解决癌症问题

1980 年代初，当宝拉·哈蒙德 （Paula Hammond） 作为一年级学生第一次来到麻省理工学院校园时，她不确定自己是否属于麻省理工学院。事实上，正如她昨天对麻省理工学院的听众所说，她觉得自己像个“冒名顶替者”。

然而，这种感觉并没有持续多久，因为哈蒙德开始在她的同学和麻省理工学院的教职员工中找到支持。“社区对我来说真的很重要，让我有归属感，觉得我在这里有一席之地，我找到了愿意拥抱我和支持我的人，”她说。

哈蒙德是世界知名的化学工程师，她的大部分学术生涯都在麻省理工学院度过，她在 2023-24 年度 James R. Killian Jr. 教师成就奖讲座上发表了讲话。

基利安奖成立于 1971 年，旨在纪念麻省理工学院第 10 任校长詹姆斯·基利安，旨在表彰麻省理工学院教职员工的非凡专业成就。根据颁奖词，哈蒙德被选为今年的奖项，“不仅因为她巨大的专业成就和贡献，还因为她真诚的热情和人性，她的体贴和有效的领导，以及她的同理心和道德。

“哈蒙德教授是纳米技术研究的先驱。通过从基础科学扩展到医学和能源转化研究的项目，她引入了用于癌症治疗和非侵入性成像的复杂药物输送系统的设计和开发新方法，“麻省理工学院系主任兼文学教授Mary Fuller说。“作为她的同事，我们很高兴今天庆祝她的职业生涯。

今年1月，哈蒙德开始担任麻省理工学院的副教务长。在此之前，她曾担任化学工程系主任八年，并于 2021 年被任命为研究所教授。

多功能技术

哈蒙德在底特律长大，她认为她的父母灌输了对科学的热爱。她的父亲是当时为数不多的黑人生物化学博士之一，而她的母亲则获得了霍华德大学的护理硕士学位，并在韦恩县社区学院创办了护士学校。“这为底特律地区的女性提供了大量的机会，包括有色人种女性，”哈蒙德指出。

1984 年在麻省理工学院获得学士学位后，Hammond 曾担任工程师，然后以研究生身份返回研究所，并于 1993 年获得博士学位。在哈佛大学完成两年博士后研究后，她于1995年回到麻省理工学院任教。

哈蒙德研究的核心是她开发的一种技术，用于制造基本上可以“收缩包装”纳米颗粒的薄膜。通过调整这些薄膜的化学成分，可以定制颗粒以递送药物或核酸，并靶向体内的特定细胞，包括癌细胞。

为了制造这些薄膜，Hammond首先将带正电的聚合物分层到带负电的表面上。然后，可以添加更多的层，交替带正电荷和带负电荷的聚合物。这些层中的每一层都可能包含药物或其他有用的分子，例如DNA或RNA。其中一些薄膜包含数百层，另一些只有一层，这使得它们可用于广泛的应用。

“逐层工艺的好处在于，我可以选择一组具有良好生物相容性的可降解聚合物，并且可以将它们与我们的药物材料交替使用。这意味着我可以在薄膜内的不同点建立包含不同药物的薄膜层，“哈蒙德说。“然后，当薄膜降解时，它可以以相反的顺序释放这些药物。这使我们能够使用简单的水基技术创建复杂的多药薄膜。

哈蒙德描述了这些逐层薄膜如何用于促进骨骼生长，其应用可以帮助先天性骨缺陷患者或遭受创伤性损伤的人。

为此，她的实验室制造了具有两种蛋白质层的薄膜。其中之一，BMP-2，是一种与成体干细胞相互作用并诱导它们分化为骨细胞，产生新骨的蛋白质。第二种是称为VEGF的生长因子，它刺激新血管的生长，帮助骨骼再生。这些层被应用于可以植入损伤部位的非常薄的组织支架上。

Hammond和她的学生设计了这种涂层，一旦植入，它就会提前释放VEGF，超过一周左右，并继续释放BMP-2长达40天。在一项对小鼠的研究中，他们发现这种组织支架刺激了新骨的生长，而新骨几乎与天然骨没有区别。

靶向癌症

作为麻省理工学院科赫综合癌症研究所的成员，哈蒙德还开发了逐层涂层，可以提高用于癌症药物递送的纳米颗粒的性能，例如脂质体或由称为PLGA的聚合物制成的纳米颗粒。

“我们有各种各样的药物载体，我们可以用这种方式包装。我认为它们就像一个高脚杯，那里有所有这些不同层次的糖果，它们一次溶解一个，“哈蒙德说。

使用这种方法，哈蒙德创造了可以向癌细胞提供一两拳的粒子。首先，颗粒释放一定剂量的核酸，例如可以关闭癌基因的短干扰RNA（siRNA）或可以激活肿瘤抑制基因的microRNA。然后，这些颗粒释放出一种化疗药物，如顺铂，细胞现在更容易受到这种药物的影响。

这些粒子还包括一个带负电的外部“隐身层”，可以保护它们在到达目标之前不被血液分解。该外层也可以通过结合与肿瘤细胞上丰富的蛋白质结合的分子来帮助颗粒被癌细胞吸收。

在最近的工作中，哈蒙德已经开始开发可以靶向卵巢癌的纳米颗粒，并有助于防止化疗后疾病复发。在大约70%的卵巢癌患者中，第一轮治疗非常有效，但其中约85%的病例中肿瘤复发，这些新肿瘤通常具有高度耐药性。

通过改变应用于药物递送纳米颗粒的涂层类型，哈蒙德发现这些颗粒可以设计成进入肿瘤细胞内部或粘附在其表面。利用粘附在细胞上的颗粒，她设计了一种治疗方法，可以帮助启动患者对任何复发性肿瘤细胞的免疫反应。

“对于卵巢癌，该空间中存在的免疫细胞很少，而且由于它们没有很多免疫细胞存在，因此很难加速免疫反应，”她说。“然而，如果我们能够将一个分子传递到邻近的细胞，那些存在的少数细胞，并让它们加速，那么我们也许能够做一些事情。

为此，她设计了递送IL-12的纳米颗粒，IL-12是一种细胞因子，可刺激附近的T细胞发挥作用并开始攻击肿瘤细胞。在一项针对小鼠的研究中，她发现这种治疗诱导了长期记忆T细胞反应，从而防止了卵巢癌的复发。

哈蒙德在演讲的最后描述了该研究所对她整个职业生涯的影响。

“这是一次变革性的经历，”她说。“我真的认为这个地方很特别，因为它将人们聚集在一起，使我们能够一起做我们无法独自完成的事情。正是我们从朋友、同事和学生那里得到的支持，才真正让事情成为可能。