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。四川大學程沖教授、邱邐教授與張勃慶博士團隊設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)境通過多酶樣機制結合超聲激活產生活性氧促腫瘤細胞凋亡，在炎癥骨缺損微環(huán)境催化過氧化氫為氧氣，阻斷氧化應激并調節(jié)干細胞成骨分化。相關工作以“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制。結果表明，該支架能在腫瘤微環(huán)境中通過超聲激活產生大量活性氧（ROS）殺死癌細胞，同時在骨缺損處分解過氧化氫（H₂O₂）釋放氧氣，促進骨再生。

圖 1. 超聲激活與生物催化3D打印支架的設計原理

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合狀態(tài)。結果表明，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. 支架的微觀結構與元素表征

通過3,3',5,5'-四甲基聯苯胺（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的催化性能及反應路徑。結果表明，支架在酸性腫瘤環(huán)境中表現出類過氧化物酶（POD）和類氧化酶（OXD）活性，可高效產生ROS；在中性環(huán)境中則展現類過氧化氫酶（CAT）活性，分解H₂O₂釋放氧氣，且超聲可增強其催化效果。

圖 3. 生物催化活性與機制分析

通過細胞活性檢測（CCK-8）、活性氧染色（DCFH-DA）和流式細胞術，研究了HS-ICTO支架對骨肉瘤細胞的殺傷作用。結果表明，支架聯合超聲處理可顯著提高細胞內ROS水平，誘導線粒體損傷和細胞凋亡，且RNA測序顯示其通過調控凋亡、氧化應激相關基因發(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支架在體內的抗腫瘤效果。結果表明，支架聯合超聲治療可抑制腫瘤生長，減少缺氧誘導因子（HIF-1α）表達，促進腫瘤細胞凋亡，且無明顯全身毒性。  

圖 5. 體內骨肉瘤治療效果

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

圖 6. 骨缺損微環(huán)境調控與干細胞保護

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

圖 7. 抑制破骨細胞生成的作用

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

圖 8. 體內骨缺損再生評估

研究結論
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)境中展現優(yōu)異的時空可控過氧化氫催化性能，通過多酶樣機制結合超聲激活快速產生大量活性氧，增強腫瘤細胞凋亡；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，有效阻斷內源性過氧化氫介導的氧化應激，正向調控干細胞成骨分化，促進缺損再生。體內外實驗證實，HS-ICTO支架具備強勁且按需的防腫瘤復發(fā)能力，能促進抗炎性骨組織修復，為精準腫瘤干預和再生醫(yī)學提供了有前景的平臺。
文章來源：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-61377-x