骨肉腫の逐次治療と骨再生のためのソノ活性化生体触媒3Dプリント足場

オステオサルコーマは,主に長骨で,主に子供や青少年に影響を与える非常に悪性のある骨腫瘍です.非常に侵入的で,骨破壊,激しい痛み,障害,遠くまで転移します治療には,全身腫瘍切除,骨の欠陥再建,化学療法や放射線療法しかし,骨格筋腫の一般的な化学放射線治療抵抗性により,顕微鏡的に限界陰性 (R0) の切除がしばしば防止されます.地元的な再発と肢体救出の失敗につながる患者さんの予期症を深刻に損なうことになります.

3Dプリントされた複合材料のバイオミメティック・スキャフォードは 骨髄腫の肢体救助治療の有望な戦略です例えば,ヒドロキシアパチト (HA) とβ-トリカルシウムリン酸塩 (β-TCP)骨移植は,天然の骨のミネラル組成,優れた生物互換性,骨伝導性,骨誘導性との密接な類似性により,骨移植の見抜きのある代替品です.オステオサルコマ侵攻腫瘍代謝に起因する過敏性骨解剖と 外科切除により 回復能力が低い 骨欠陥の微小環境が形成されますこれらのスキャッパルの固有の修復能力を上回る生物活性因子や幹細胞を組み込むなど,既存のスケーフォルド改造戦略部分的にこの問題を解決しますが,同時に腫瘍の根絶と骨再生を達成することはできません複雑な材料の設計を含み,再生効率が限られている.

肢体救出手術後の骨髄腫または炎症性外傷の再発は,H2O2濃度が著しく上昇し,欠陥部位に低酸素微小環境が生じます.レドックスホメオスタシスを乱し,内因性幹細胞に持続的な酸化ストレスを引き起こす理想的には,骨の欠陥を修復する材料は,H2O2のインテリジェントな触媒を可能にします.H2O2を腫瘍微小環境で高毒性反応性酸素種 (ROS) に変換して腫瘍細胞アポプトーシスを誘発する炎症を和らげ,骨質生成のバランスを回復するために,炎症性骨欠陥マイクロ環境でH2O2をO2に分解します.現在のナノ酵素ベースのバイオカタリティクス材料さらに,H2O2からO2へのインテリジェントな変換が同時に達成できない.既存の治療戦略は主に抗腫瘍または抗炎症機能に焦点を当てていますオステオサルコーマの肢体救出治療に特化した多機能バイオカタリティクス材料はまだ開発されていません.腫瘍を賢く根絶し, redox ホメオスタシスを回復できる汎用的な生物触媒材料の設計は,肢体救助治療の改善に不可欠な必要性を表しています.

この研究では,初めて,設計と建設について報告します活性化可能なバイオカタリティクスナノ粒子で改変された3Dプリントされたヒドロキシアパチット・スキャフォールド (HS-ICTO)半導体基材としてTiO2ナノマテリアルを使用することで,TiO2電子結合を持つIrクラスター (ICTO) が設計され,空間時間的に制御可能なH2O2催化を実現した.これは骨髄腫のマイクロ環境内で腫瘍根絶のための効率的なROS生成を可能にしますこのプラットフォームは,骨再生を促進するために,骨の欠陥マイクロ環境でH2O2をO2に分解します.腫瘍の根絶から骨の欠陥の修復まで骨質障害の復元,骨質障害の抑制,骨質障害の治療,骨質障害の治療,体系的に評価されました基礎となる催化メカニズムが明らかにされた.

異なるICTO負荷を持つHS-ICTOのエスカフォルト (HS-ICTO-x,x = 0, 0.51 について02 mg/mL) が作られました.ICTOナノ粒子の湿気蒸発-3DプリントされたHAスキャフォルト (HS) に堆積構造は,フィールドエミッションスキャン電子顕微鏡 (FESEM),エネルギー分散式X線スペクトロスコピー (EDS),X線振動 (XRD),トランスミッション電子顕微鏡 (TEM)X線光電子スペクトロスコピー (XPS) とX線吸収スペクトロスコピー (XAS). 結果は,ICTOナノ粒子がTiO2表面に高度に分散したIrクラスター (~1.7nm) を形成し,化学結合と表面電荷移転HS-ICTOは,Ti,Ir,Ca,P,O元素の均等な分布で,HSの相互結合し,孔隙のある構造を維持した.ICTOの堆積は,HSの機械的特性 (圧縮強度) を損なわなかった.ICTOナノ粒子は優れた表面安定性を示した.メカニカルスクレイピングまたは外部のエネルギー障害によってのみ分離する.

図2 HS-ICTOの形状と構造の特徴です a:HS-ICTOの構造図は 毫米から原子尺度まで (灰色:O; シアン:Ti; 黄色:Ir)HS-ICTOの代表的なSEMイメージ; c, d: HS-ICTOの高増幅SEM画像; e: ICTOのTEM画像; f: ICTOのEDS要素マッピング; g: ICTOの高解像度TEM画像; h: ICTOの超高増幅TEM画像; i:ICTOのHAADF-STEM画像と対応するFFTスペクトル; j: Ir 4f領域におけるICTOとIr/CのXPSスペクトル; k: Ti 2p領域におけるICTOとTOのXPSスペクトル; l: Ir L3辺の標準化されたXANESスペクトル; m:k3重量化フーリエ変換スペクトル; n:k3重量化されたEXAFS信号の波域変換.Rは吸収された原子と隣接する原子との距離である.χ(k) は,光電子波数 k の関数として EXAFS の振動幅である.色のグラデントはオレンジ (信号強度が高い) からシアン (信号強度低い) になります

この研究では 直接インク書き (DIW) バイオプリントを用いて 超音波で活性化可能で 生物触媒性3Dプリントされた 水素酸パチット (HS-ICTO) のスキャフォルドを 設計・製造することに成功しました復酸化薬の概念に基づいて,H2O2を共通の治療ノードとしてターゲットにHS-ICTOは,骨髄腫の根絶と骨欠陥再生のためのインテリジェントシーケンス療法を達成しました.主な発見は以下のように要約されています.

1. イン・ビボ 抗腫瘍効果:HS-ICTOの Ti O Ir インターフェイス化学結合と電荷転送は,その多酵素のような触媒活動の中心である.軽度の酸性腫瘍マイクロ環境でPOD/OXDのような活動を可能にする超音波活性化と組み合わせると,HS-ICTOは効率的に反応性酸素種 (ROS) を生成し,グルタチオン (GSH) を減少させ,低酸素を軽減します.腫瘍のレドックスホメオスタシスとミトコンドリア構造を乱すこれは,標的型で効率的な骨髄腫細胞殺戮に繋がり,インビオ腫瘍抑制率は 90.43%で,生物安全性が優れています.

2. レドックス規制と幹細胞保護:中性骨欠陥マイクロ環境では,HS-ICTOは,過剰なH2O2を迅速に除去し,継続的にO2を生成し,強いCATのような活性を示します.これはH2O2による酸化ストレスを効果的に阻害しますさらに,H2O2/HIF-1αに依存する骨格細胞の分化シグナリングを阻害することで,HS-ICTOは骨格形成と骨の再吸収を減少させるオステオゲネスとオステオクラストゲネスのバランスを回復します

3. 骨の欠陥再生HS-ICTO は 3D プリント された 水素酸パチット 基板 の 孔隙 の 構造 と 機械 的 特性 を 維持 し,ヒト の トラベキュラー 骨 に 匹敵 し て い ます.ICTO の ナノ 粒子 は 優れた 負荷 安定 性 を 示し て い ます,in vitro の長期催化活動を可能にし, in vivo のネズミの頭蓋骨欠陥で新しい骨形成を促進する.HS-ICTO は骨の体積,骨のミネラル密度を著しく向上させる.トラベキュラー数骨の欠陥の再生的な微環境を改善します

4. 統合的でインテリジェントな治療HS-ICTOは 超音波による腫瘍根絶と生物触媒による骨再生の 統合的で知的な戦略を達成し,複数の侵入的な手術の必要性を排除します精密な骨髄腫治療と組織再生のための新しいアプローチを提供し,多機能の骨移植材料の設計のための重要な指針を提供します.

将来の研究は,HS-ICTOの長期的生物互換性を調査し,オーソトープ性骨髄腫モデルや大型動物骨欠陥モデルでの有効性を検証することに焦点を当てます.高強度集中超音波 (HIFU) などの臨床技術と組み合わせた場合この戦略によって 定期的な局所超音波活性化により 残留腫瘍を手術後に除去し,全身毒性や有害効果を 軽減できます

• 日記: ナチュラル・コミュニケーション

• DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-61377-x

• 最初の著者:ロング・シャオ,ストン・シャオ (共同著者)

• 対応著者:ボクシング・チャン,リ・キウ,チョング・チェン

• 関連:西中国病院,四川大学; ポリマー科学と工学学校,四川大学; 生物医学工学学校,四川大学,中国

• 基本キーワード:3Dプリントされたヒドロキシアパチトス支架 超音波活性化 バイオカタリティクス ナノ酵素 骨欠陥再生 連続療法

この種の研究における Soongon DIW (Direct Ink Writing) 3Dプリンターの機能能力の包括的な分析標準機能の評価と推奨されたカスタマイズ3Dプリント機器と機能モジュールの選択を助ける.

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