研究人员开发出一种可注射的水凝胶，由载药介孔生物活性玻璃纳米粒子（MBGN）、明胶（Gel）和氧化硫酸软骨素（OCS）组成。MBGN具有出色的骨缺损修复能力，还可以作为药物递送的纳米载体，与化疗药物结合发挥靶向抗癌作用。他们通过一系列酰胺化反应合成了载药MBGN（MTX-ss-MBGN）。这种纳米颗粒具有双重反应模式，携带分别对pH值起反应的酰胺键和对谷胱甘肽起反应的二硫键。

肿瘤微环境中的谷胱甘肽浓度比正常细胞高不少，并呈现酸性（pH = 4.0-6.8），因此可以在pH值较低和谷胱甘肽较高的微环境下实现对肿瘤特异性的药物递送。体外的药物释放实验证实，MTX-ss-MBGN纳米颗粒能够区分肿瘤组织和正常组织，通过双重反应模式释放MTX。

研究人员将含有MTX-ss-MBGN的Gel/OCS溶液注入术后区域中，这些溶液快速形成受肿瘤微环境调节的MTX-ss-MBGN GO水凝胶。药物释放实验表明，随着酸化和氧化还原环境的增加，大量MTX迅速释放。与MTX-ss-MBGN纳米颗粒相比，MTX-ss-MBGN GO水凝胶中存在Schiff碱键，能够更有效并更严格地抑制非肿瘤条件下的药物释放。

为了探索MTX-ss-MBGN纳米颗粒的抗肿瘤机制，研究人员开展了多个实验。他们发现，经过纳米颗粒处理的UMR-106细胞，G1/S期比例、细胞凋亡和活性氧自由基（ROS)现象增加。这些结果表明，MTX-ss-MBGN纳米颗粒能够通过MTX应激和GSH消耗的协同抗肿瘤作用，诱导过量ROS产生、G1/S期细胞周期停滞和随后的肿瘤细胞凋亡，从而抑制UMR-106细胞增殖并提高化疗敏感性。

之后，他们进一步开展分析，发现MTX-ss-MBGN纳米颗粒响应残留肿瘤细胞的pH值和谷胱甘肽信号而快速靶向肿瘤细胞并释放MTX。这个过程将消耗细胞内质子和谷胱甘肽，导致肿瘤环境改变和代谢紊乱（图2）。氧化还原的失衡最终激活了p16-CYLD-CylinD1/MMP2/MMP9通路和肿瘤细胞凋亡。同时，MTX-ss-MBGN GO水凝胶可改善MTX诱导的骨丢失效应并促进BMSC的成骨分化。这些数据表明，水凝胶在早期具有抗肿瘤作用，在晚期具有促进骨再生能力。

图2. MTX-ss-MBGN GO水凝胶在疾病状态下被激活

研究人员接下来在高度转移性的Balb/c裸鼠骨肉瘤模型上评估了MTX-ss-MBGN GO水凝胶的表现。他们发现，MTX-ss-MBGN GO水凝胶组小鼠的肿瘤再生受到显著抑制，而其存活时间明显长于对照组小鼠。同时，H&E染色、IHC染色和TUNEL分析的结果表明，MTX-ss-MBGN GO水凝胶诱导了细胞周期停滞和肿瘤细胞凋亡，从而严格限制肿瘤生长。

骨肉瘤患者的五年生存率为60-80%，但发生肺转移后生存率急剧下降至30%，因此，研究人员在小鼠模型上评估了MTX-ss-MBGN GO水凝胶对肿瘤转移的影响。他们发现，对照组均存在骨肉瘤转移，而MTX-ss-MBGN GO水凝胶组却未发现转移。同时，这种水凝胶不仅可作为抗肿瘤的治疗药物，还可以作为协调骨修复的再生支架，在骨缺损修复中发挥骨保护作用。与直接注射MTX相比，水凝胶可降低药物在小鼠体内的全身毒性。

在肿瘤相关骨缺损修复的晚期阶段，肿瘤已经被清除，治疗的主要目标转变为持久的骨重建。为了评估MTX-ss-MBGN GO水凝胶在健康状态下的长期成骨能力和全身毒性，他们使用了双侧骨缺损的SD大鼠模型。结果表明，MTX-ss-MBGN GO水凝胶具有强大且持久的成骨能力，同时，具有长期的生物安全性，对主要器官不会造成损失。

图3. MTX-ss-MBGN GO水凝胶实现肿瘤相关骨缺损的闭环管理

综上所述，研究人员开发出一种受肿瘤微环境调节的MTX-ss-MBGN GO水凝胶，具有受控的药物释放能力、增强的化疗敏感性和持久的成骨能力，可根据疾病状态的变化来改变其功能（图3）。这种新型水凝胶可发挥持久的骨修复功能并避免肿瘤复发，实现肿瘤相关骨缺损的闭环管理，表明组织工程在功能恢复方面取得了重大进展。