MTX-ss-MBGN GO新型水凝胶避免肿瘤复发和促进骨再生
近日,中山大学光华口腔医学院领导的研究团队在Chemical Engineering Journal杂志上发表了题为“Injectable Tumor Microenvironment-Modulated Hydrogels with Enhanced Chemosensitivity and Osteogenesis for Tumor-Associated Bone Defects Closed-Loop Management”的研究论文。研究人员开发出一种受肿瘤微环境调节(TME),由介孔生物活性玻璃纳米粒子(MBGN)组成的载药型水凝胶,这种新型水凝胶(MTX-ss-MBGN GO) 能够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。

图1. 研究思路
研究材料与方法
骨肉瘤是导致肿瘤相关骨缺损的最常见原因,故在本研究中作为模型疾病。甲氨蝶呤(MTX)是骨肉瘤的一线化疗药物,被用作治疗(阳性)药物。此外,研究人员还使用了UMR-106大鼠骨肉瘤细胞和骨髓间充质干细胞(BMSC)研究不同药物试剂是否存在细胞毒性。本研究使用高转移性的生物发光骨肉瘤模型,在Balb/c裸鼠身上注射了荧光素酶标记的K7M2小鼠骨肉瘤细胞(由赛业提供)研究肿瘤生长和转移情况。
技术路线
制备MTX-ss-MBGN GO水凝胶并鉴定。
在细胞上评估MTX-ss-MBGN GO水凝胶对肿瘤生长和骨生成的影响。
在骨肉瘤小鼠模型上评估MTX-ss-MBGN GO水凝胶对肿瘤生长和转移的影响。
在健康SD大鼠上评估MTX-ss-MBGN GO水凝胶的成骨能力。
研究结果
MTX-ss-MBGN GO水凝胶的制备及鉴定
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。
MTX-ss-MBGN GO水凝胶可抑制肿瘤生长并促进骨再生
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
MTX-ss-MBGN GO水凝胶具有很好的成骨能力和生物安全性
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。
结论

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。
原文检索:
[1] Min Cai, Xiaojun Li, MengXu et al. Injectable Tumor Microenvironment-Modulated Hydrogels with Enhanced Chemosensitivity and Osteogenesis for Tumor-Associated Bone Defects Closed-Loop Management. Chemical Engineering Journal, Volume 450, Part 2, 2022, 138086. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138086.
填写需求描述给我们
工具快速咨询
400-680-8038
info@oricellbio.cn