可注射光热/化疗水凝胶平台用于原位骨肉瘤治疗和骨组织重建

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四川大学华西口腔廖金凤副教授课题组在可注射光热化疗水凝胶协同治疗原位骨肉瘤方向取得了进展，相关研究成果以标题为“Curcumin-Microsphere/IR820 Hybrid Bifunctional Hydrogels for In Situ Osteosarcoma Chemo-co-Thermal Therapy and Bone Reconstruction”发表在ACS Applied Materials & Interfaces四川大学华西口腔医学院2017级口腔医学本科生谭博文为论文第一作者，此研究得到国家自然科学基金等资助。

骨肉瘤（osteosarcoma）是一种常见的高度恶性骨肿瘤，临床治疗主要是以手术切除为主，辅以术后放疗和化疗[1]。但是，由于癌组织的顽固性和浸润性，在手术时往往很难将瘤组织去净。此外，由放射疗法和化学疗法引起的严重的系统毒性[2, 3]问题仍未解决。同时，骨肉瘤显示出强烈的骨组织侵蚀性，这可能引起大范围的骨缺损，过大的骨骼缺损很难自然愈合，从而导致终身残疾和持续疼痛。因此，他们团队设计了一种新型的对光/热敏感的治疗性水凝胶平台（Cur-MPs / IR820凝胶），用于原位骨肉瘤治疗并随后进行骨重建。 Cur-MPs / IR820凝胶的优势如下：（1）该杂化水凝胶平台的光化学疗法对消除骨肿瘤有效；（2）可通过注射器输送热敏水凝胶载体，从而避免了手术带来的损伤；（3）水凝胶的长期保留和姜黄素的持续释放抑制了残留的肿瘤细胞并促进了BMSCs的成骨分化。这种新型的杂化双功能水凝胶平台不仅结合了PTT和化学疗法，而且还具有抗肿瘤作用和骨组织重建功能，这可为骨肿瘤治疗提供新的参考和启发。 
图1：(A) Cur-MPs/IR820水凝胶治疗平台的构建和制备；(B)原位骨肿瘤小鼠模型的建立，光热-化疗协同治疗以及骨组织的重建。

采用单乳法制备姜黄素微球，在4℃下与IR820以及甲基纤维素形成杂化水凝胶体系，通过温度的变化25℃-37℃形成凝胶，并且可以通过注射的方式将凝胶精确地给到原位肿瘤组织，以起到增强局部作用的目的

图2。(A)空白PLGA微球、搭载姜黄素的PLGA微球、空白MC水凝胶和搭载姜黄素微球杂化水凝胶SEM微观图。(B) 体外MC水凝胶、IR820水凝胶和Cur-MP/IR820水凝胶在25~ 37℃变化。(C) 空白微球和搭载姜黄素微球的粒径分布。(D)空白水凝胶和搭载微球的水凝胶的孔隙率。(E)不同MC浓度(12、14、16%)以及搭载微球水凝胶的凝胶温度。流变学表征(F)(G)在1°C/min升温速率和凝胶时间下(0.05% strain, 1 rad/s frequency)测得水凝胶和载微球的水凝胶的粘度。

微球呈现大致均一的形态尺寸，集中于20μm的直径。微球加入水凝胶体系有利于降低成胶温度，以及减少成胶时间，使得体系更为敏感，同时体系黏度也相应增加，有利于凝胶体系在局部的保留

 
图3：在808 nm (2.5 W·cm⁻²)辐照0、1、2、3和5min后，在96孔中的IR820Cur-MPs /IR820混合水凝胶的近红外成像(A)。(B) MC水凝胶、IR820水凝胶和Cur-MPs/IR820混合水凝胶在近红外照射下的实时温度变化。(C)Cur-free、Cur-MPs和Cur-MPs-凝胶72h的累积药物释放研究;(D) Cur-MPs/IR820凝胶+激光192h的累积药物释放研究。(红色箭头:激光照射) 在2.5W^-2 808nm激光照射下，水凝胶在体外能够升温至51℃左右，有利于肿瘤的消融。同时，微球、凝胶体系能够有较好的药物缓释效应，并且在热刺激下，药物的释放也被加快，细胞膜通透性增加，有利于在光热治疗同时辅助抑制肿瘤。

 
图4：(A)对照,MC凝胶,Cur-MPs凝胶,IR820凝胶+激光和Cur-MPs/IR820凝胶+激光处理2 h后，活/死细胞染色(Live and Dead staining)。(比例尺:250 μm;边界视图:水凝胶边界);(B)不同组共培养和直接接触水凝胶的肿瘤细胞存活率。(C)不同组共培养但未与水凝胶接触的肿瘤细胞48h的细胞存活率，所有水凝胶均放置在Transwell上室。*p < 0.05, ***p < 0.001.光热对于肿瘤的杀伤力较大，同时辅以姜黄素的抗瘤效果能够显著消融、诱导肿瘤细胞凋亡。 
图5：(A)水凝胶的细胞生物相容性试验。(B)水凝胶的体内生物相容性和生物降解性(1、2、4、8周)(红色箭头，扩张炎症血管)。(C)含有水凝胶的皮下组织的H&E染色(H:水凝胶;比例尺，100 μm)。(D)第7天骨髓间充质干细胞的ALP染色(标尺，400 μm)。(E)第7天ALP表达(562 nm OD值)。(F)第14天骨髓间充质干细胞ARS染色(标尺，400 μm)。(G)第14天钙沉积(450 nm时OD值)。水凝胶微球复合体系具有较好生物相容性，同时，从微球中BMSCs 
 
图6(A)抗肿瘤实验方案。(B)注射IR820水凝胶和Cur-MPs / IR820杂化水凝胶后在2.5 W·cm⁻²，808 nm 辐射5分钟近红外成像图片。在治疗的17天收集的包含胫骨的肿瘤样本(C)，和(F)(D) 17*p < 0.05, **p < 0.01. (G1: Control, G2: MC   
图7(A)*p < 0.05, **p < 0.01. 可以看出相对于对照组来说，水凝胶光热治疗，以及光热治疗加化疗的效果更佳，同时微球缓释的姜黄素对于骨组织的重建效果更好。  
图8(A)μm) μm) (G1: Control, G2: MC
 

项目总结

目前针对骨肉瘤及其他骨恶性肿瘤的临床治疗方法多以手术治疗为主，对患者具有破坏性且无法兼顾骨组织的重建问题，导致治疗效果不理想。他们提出的治疗方案在光热&化疗联合清除肿瘤组织的同时，也提供了微球控释的姜黄素诱导成骨环境，对于骨组织的重建起到了促进作用。课题组也在寻求一种能够将水凝胶平台运用于肿瘤术后抑制复发模型上的途径，以求更贴合目前的临床治疗。本项目的特色创新点在于设计了一种可注射光热/化疗杂化水凝胶平台用于骨肉瘤治疗，并建立了一种骨肿瘤原位小鼠模型，进行了肿瘤治疗效果以及骨组织重建效果的综合评价。旨在（1）拓展可注射微球/水凝胶复合体系的生物治疗应用；（2）为未来骨肉瘤的治疗提供一种微创，并且结合抗瘤和成骨一体化治疗的新参考和新思路。

参考文献：

[1] M. Isakoff, S. Bielack, P. Meltzer, R. Gorlick, Osteosarcoma: Current Treatment and a Collaborative Pathway to Success, Journal of clinical oncology : official journal of the American Society of Clinical Oncology 33(27) (2015) 3029-35.

[2] A. Pugazhendhi, T. Edison, B. Velmurugan, J. Jacob, I. Karuppusamy, Toxicity of Doxorubicin (Dox) to different experimental organ systems, Life sciences 200 (2018) 26-30.

[3] L. Vanderwaeren, R. Dok, K. Verstrepen, S. Nuyts, Clinical Progress in Proton Radiotherapy: Biological Unknowns, Cancers 13(4) (2021).

相关链接

https://doi.org/10.1021/acsami.1c08775

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