超聲激活生物催化3D打印支架：智能序貫根除骨肉瘤與促進(jìn)骨再生的一體化療法

來源：EFL生物3D打印與生物制造

骨肉瘤治療面臨需多次有創(chuàng)操作的困境，現(xiàn)有肢體挽救療法因腫瘤放化療耐藥難獲顯微陰性切緣，且骨缺損修復(fù)微環(huán)境差，傳統(tǒng)支架改性策略難兼顧殺瘤與骨再生。四川大學(xué)程沖教授、邱邐教授與張勃慶博士團(tuán)隊設(shè)計出超聲激活與生物催化納米顆粒改性的3D打印羥基磷灰石支架（HS - ICTO）。該支架在腫瘤微環(huán)境通過多酶樣機(jī)制結(jié)合超聲激活產(chǎn)生活性氧促腫瘤細(xì)胞凋亡，在炎癥骨缺損微環(huán)境催化過氧化氫為氧氣，阻斷氧化應(yīng)激并調(diào)節(jié)干細(xì)胞成骨分化。相關(guān)工作以“Sono - activable and biocatalytic 3D - printed scaffolds for intelligently sequential therapies in osteosarcoma eradication and defect regeneration”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

本文研究了HS-ICTO支架的合成流程（包括TiO₂-Ir納米顆粒制備和3D打印羥基磷灰石支架改性）及其在骨肉瘤治療中的作用機(jī)制。結(jié)果表明，該支架能在腫瘤微環(huán)境中通過超聲激活產(chǎn)生大量活性氧（ROS）殺死癌細(xì)胞，同時在骨缺損處分解過氧化氫（H₂O₂）釋放氧氣，促進(jìn)骨再生。

圖 1. 超聲激活與生物催化3D打印支架的設(shè)計原理

使用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）和X射線光電子能譜（XPS）等工具，研究了HS-ICTO支架的表面形貌、納米顆粒分布及元素結(jié)合狀態(tài)。結(jié)果表明，支架表面均勻覆蓋著花瓣狀TiO₂-Ir納米顆粒，Ir以納米團(tuán)簇形式存在，與TiO₂形成強電子耦合，證實了材料成功制備。  

圖 2. 支架的微觀結(jié)構(gòu)與元素表征

通過3,3',5,5'-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）顯色實驗、電子順磁共振（EPR）和密度泛函理論（DFT）計算，研究了HS-ICTO對H₂O₂的催化性能及反應(yīng)路徑。結(jié)果表明，支架在酸性腫瘤環(huán)境中表現(xiàn)出類過氧化物酶（POD）和類氧化酶（OXD）活性，可高效產(chǎn)生ROS；在中性環(huán)境中則展現(xiàn)類過氧化氫酶（CAT）活性，分解H₂O₂釋放氧氣，且超聲可增強其催化效果。

圖 3. 生物催化活性與機(jī)制分析

通過細(xì)胞活性檢測（CCK-8）、活性氧染色（DCFH-DA）和流式細(xì)胞術(shù)，研究了HS-ICTO支架對骨肉瘤細(xì)胞的殺傷作用。結(jié)果表明，支架聯(lián)合超聲處理可顯著提高細(xì)胞內(nèi)ROS水平，誘導(dǎo)線粒體損傷和細(xì)胞凋亡，且RNA測序顯示其通過調(diào)控凋亡、氧化應(yīng)激相關(guān)基因發(fā)揮作用。

圖 4. 體外抗腫瘤效果驗證

通過建立裸鼠腫瘤模型、腫瘤體積測量和組織病理染色，研究了HS-ICTO支架在體內(nèi)的抗腫瘤效果。結(jié)果表明，支架聯(lián)合超聲治療可抑制腫瘤生長，減少缺氧誘導(dǎo)因子（HIF-1α）表達(dá)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡，且無明顯全身毒性。  

圖 5. 體內(nèi)骨肉瘤治療效果

通過H₂O₂分解實驗、干細(xì)胞活性檢測和免疫熒光染色，研究了HS-ICTO對骨缺損處氧化應(yīng)激的調(diào)節(jié)作用。結(jié)果表明，支架可高效分解H₂O₂并釋放氧氣，保護(hù)間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）免受氧化損傷，促進(jìn)其成骨分化（如堿性磷酸酶ALP和骨鈣素表達(dá)增加）。

圖 6. 骨缺損微環(huán)境調(diào)控與干細(xì)胞保護(hù)

通過Transwell共培養(yǎng)實驗、抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）染色和基因表達(dá)分析，研究了HS-ICTO對破骨細(xì)胞分化的影響。結(jié)果表明，支架可抑制核因子κB受體活化因子配體（RANKL）誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成，下調(diào)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子（如NFATc1、c-Fos）和骨吸收相關(guān)酶的表達(dá)。  

圖 7. 抑制破骨細(xì)胞生成的作用

通過大鼠顱骨缺損模型、顯微CT（Micro-CT）和組織學(xué)染色，研究了HS-ICTO的骨再生能力。結(jié)果表明，支架可促進(jìn)新骨形成，增加骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）和骨小梁數(shù)量（Tb.N），免疫熒光顯示其上調(diào)成骨標(biāo)志物（Runx2、BMP-2）并抑制炎癥反應(yīng)。

圖 8. 體內(nèi)骨缺損再生評估

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了超聲激活及生物催化納米顆粒改性的3D打印羥基磷灰石支架（HS-ICTO），實現(xiàn)骨肉瘤根除與骨缺損再生的智能序貫治療。該支架在腫瘤微環(huán)境中展現(xiàn)優(yōu)異的時空可控過氧化氫催化性能，通過多酶樣機(jī)制結(jié)合超聲激活快速產(chǎn)生大量活性氧，增強腫瘤細(xì)胞凋亡；在炎癥骨缺損微環(huán)境中可智能切換催化模式，將過氧化氫分解為氧氣，有效阻斷內(nèi)源性過氧化氫介導(dǎo)的氧化應(yīng)激，正向調(diào)控干細(xì)胞成骨分化，促進(jìn)缺損再生。體內(nèi)外實驗證實，HS-ICTO支架具備強勁且按需的防腫瘤復(fù)發(fā)能力，能促進(jìn)抗炎性骨組織修復(fù)，為精準(zhǔn)腫瘤干預(yù)和再生醫(yī)學(xué)提供了有前景的平臺。
文章來源：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-61377-x