Small Methods :基于双金属纳米墨水的3D打印支架用于预防肿瘤复发及骨缺损修复

肿瘤的复发转移是目前造成癌症患者预后差和高死亡率的主要原因,以乳腺癌为例,大约70%的患者会发生骨转移。然而当前乳腺癌骨转移瘤临床治疗多以手术切除为主,这往往伴随着手术部位的肿瘤残余及骨缺损,极大地限制了骨转移患者的疗效和预后。因此,探索一种针对骨转移性乳腺癌的治疗手段,同时实现预防术后残留肿瘤复发和缺损修复,是当前临床治疗关注的首要问题。

南方医科大学于梦副教授、中山大学附属口腔医院李翔博士、东莞理工学院王翀副教授利用3D打印技术将一种富含Fe/Mg双金属的聚多巴胺纳米颗粒(FeMg-NPs)均匀分散制备一种双功能支架,可以同时消除残余肿瘤细胞和修复肿瘤相关的骨缺损。FeMg-NPs可在肿瘤微环境中持续释放金属离子Fe3+和Mg2+,一方面通过Fe3+介导的化学动力学治疗(CDT)和聚多巴胺介导的光热治疗(PTT)发挥协同抗肿瘤作用,另一方面随着3D支架在植入原位缓慢降解,Mg2+从骨多孔三维支架中释放并在长达数月的时间内持续促进新骨形成,发挥骨修复作用。南方医科大学林慧敏硕士、中山大学附属口腔医院史善伟博士为论文共同第一作者。

图1 双功能3D打印支架的制备及起效示意图

研究人员利用多巴胺在碱性条件下络合Fe3+和Mg2+的性质得到金属聚多巴胺纳米粒子(FeMg-NPs),均匀分散在可降解的生物材料PLAG和TCP中,通过3D打印技术制备得到双功能支架FeMg-SC。压缩实验数据表明支架抗压强度和弹性模量与人松质骨的机械强度相当,适合作为骨缺损修复植入材料。

图2 FeMg-SC的相关表征

将不同的3D支架植入荷瘤小鼠的皮下肿瘤组织中,连续三天给予808 nm激光辐照(1.5 W/cm2, 4min),含多巴胺成分的支架组表现出明显的PTT作用。根据肿瘤生长曲线结果显示,Blank-SC+Laser组和Mg-SC+Laser组仅表现出轻微的肿瘤生长抑制,无激光照射的FeMg-SC组(单纯CDT治疗)有较为显著的抗肿瘤作用,而CDT与PTT协同治疗组(FeMg-SC + Laser)几乎实现了肿瘤的完全抑制。这为乳腺癌骨转移瘤组织切除术后残留肿瘤细胞的清除提供了理论依据。

图3 体内抗肿瘤作用(a: PBS, b: FeMg-SC, c: Blank-SC + Laser, d: Mg-SC + Laser, e: Fe-SC + Laser, f: FeMg-SC + Laser)

大鼠颅骨缺损模型是骨修复中最常用的动物模型之一。根据缺损部位形状定制打印支架植入缺损部位,分别在6周和12周观察成骨情况。Mg-SC和FeMg-SC均观察到比其他处理组更为优越的新生骨形成,同时表现出明显的中央成骨信号。支架材料中Mg2+的存在,显著促进了BMSCs的增殖和分化,上调了成骨相关基因,极大地促进了缺损区域的骨再生。组织学结果也显示FeMg-SC材料周围附着大量成骨细胞,代表大量的新生骨和成熟骨形成。

图4 体内成骨性能
图5 3D打印支架植入后12 w缺损颅骨的H&E (A)和MTS (B)染色,S:支架,FT:纤维组织,NB:新生骨,BV:血管

论文信息:

Scaffold 3D-printed from metallic nanoparticles-containing ink simultaneously eradicates tumor and repairs tumor-associated bone defects

Huimin Lin#, Shanwei Shi#, Xinyue Lan, Xiaolong Quan, Qinqin Xu, Guangyu Yao, Jia Liu, Xintao Shuai, Chong Wang*, Xiang Li*, Meng Yu*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100536

原文链接:https://doi.org/10.1002/smtd.202100536