Самоактивируемые биокаталитические 3D-печатные каркасы для последовательной терапии остеосаркомы и регенерации костной ткани

Остеосаркома — это высокозлокачественная опухоль кости, которая преимущественно поражает детей и подростков, в основном в длинных костях. Она обладает высокой инвазивностью, вызывая разрушение кости, сильную боль, инвалидность и даже отдаленные метастазы, что требует комбинированной системной лекарственной терапии и хирургического вмешательства. Современные основные методы лечения с сохранением конечностей включают полное удаление опухоли, реконструкцию костного дефекта и адъювантную химио- или лучевую терапию, которые в идеале позволяют удалить опухоль при сохранении функции конечности. Однако распространенная резистентность остеосаркомы к химиолучевой терапии часто препятствует резекции с микроскопически отрицательными краями (R0), что приводит к местным рецидивам и неудаче лечения с сохранением конечности, часто требуя вторичных или множественных инвазивных операций, тем самым серьезно ухудшая прогноз пациента.

Биомиметические композитные каркасы, напечатанные на 3D-принтере, предлагают перспективную стратегию для лечения остеосаркомы с сохранением конечностей. Среди них керамические каркасы на основе фосфата кальция (CaP), такие как гидроксиапатит (HA) и β-трикальцийфосфат (β-TCP), являются выдающимися заменителями костных трансплантатов благодаря их высокой схожести с минеральным составом естественной кости, отличной биосовместимости, остеокондуктивности и остеоиндуктивности. Однако инвазия остеосаркомы, гиперактивный остеолиз, вызванный метаболизмом опухоли, и хирургическая резекция создают микросреду костного дефекта с низкой регенеративной способностью, превышающей внутреннюю способность этих каркасов к восстановлению. Существующие стратегии модификации каркасов, включая включение биоактивных факторов или стволовых клеток, частично решают эту проблему, но не могут одновременно обеспечить эрадикацию опухоли и регенерацию кости. Им также не хватает интеллектуальной адаптивности к микросреде, они включают сложный дизайн материалов и демонстрируют ограниченную эффективность регенерации.

Рецидив остеосаркомы или воспалительная травма после операции по сохранению конечности приводят к значительному повышению уровня H₂O₂ и гипоксической микросреде в месте дефекта, нарушая редокс-гомеостаз и вызывая стойкий окислительный стресс эндогенных стволовых клеток, что серьезно нарушает регенерацию кости. В идеале материалы для восстановления костных дефектов должны обеспечивать интеллектуальный катализ H₂O₂: превращение H₂O₂ в высокотоксичные активные формы кислорода (АФК) в опухолевой микросреде для индукции апоптоза опухолевых клеток, одновременно разлагая H₂O₂ до O₂ в воспалительной микросреде костного дефекта для облегчения воспаления и восстановления баланса остеогенеза и остеокластогенеза. Современные биокаталитические материалы на основе наноферментов, включая оксиды металлов и наночастицы благородных металлов, не способны одновременно достигать интеллектуального превращения H₂O₂ в АФК и H₂O₂ в O₂. Более того, существующие терапевтические стратегии в основном сосредоточены либо на противоопухолевых, либо на противовоспалительных функциях. Многофункциональные биокаталитические материалы, специально разработанные для терапии остеосаркомы с сохранением конечностей, еще не разработаны. Следовательно, разработка универсальных биокаталитических материалов, способных интеллектуально уничтожать опухоли и восстанавливать редокс-гомеостаз, представляет собой критическую потребность для улучшения лечения с сохранением конечностей.

В данном исследовании мы впервые сообщаем о разработке и создании 3D-печатных гидроксиапатитных каркасов, модифицированных биокаталитическими наночастицами, активируемыми звуком (HS-ICTO). Используя наноматериалы TiO₂ в качестве полупроводниковых подложек, были разработаны кластеры Ir (ICTO) с электронным сопряжением Ti–O–Ir для достижения пространственно-временного контролируемого катализа H₂O₂. Это обеспечивает эффективную генерацию АФК для эрадикации опухоли в микросреде остеосаркомы, одновременно разлагая H₂O₂ до O₂ в микросреде костного дефекта для стимуляции регенерации кости. Эта платформа реализует интеллектуальную последовательную терапию от эрадикации опухоли до восстановления костного дефекта. Были систематически оценены противоопухолевая эффективность каркаса in vitro, модуляция окислительного стресса, ингибирование остеокластогенеза, а также противоопухолевая эффективность in vivo и реконструкция костного дефекта, и были выяснены лежащие в основе каталитические механизмы.

Каркасы HS-ICTO с различной загрузкой ICTO (HS-ICTO-x, x = 0, 0,5, 1,0, 2,0 мг/мл) были приготовлены путем осаждения ICTO-наночастиц на 3D-печатные HA-каркасы (HS) методом влажного испарения. Структуры каркасов были всесторонне охарактеризованы с использованием сканирующей электронной микроскопии с полевой эмиссией (FESEM), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS), рентгеновской дифракции (XRD), просвечивающей электронной микроскопии (TEM), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) и рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS). Результаты показали, что ICTO-наночастицы образовывали высокодисперсные кластеры Ir (~1,7 нм) на поверхности TiO₂, создавая химическое сопряжение Ti–O–Ir и межфазный перенос заряда. HS-ICTO сохраняли взаимосвязанную, пористую архитектуру HS, с равномерным распределением элементов Ti, Ir, Ca, P и O. Важно отметить, что осаждение ICTO не ухудшало механические свойства HS (предел прочности при сжатии: 2,02 ± 0,15 МПа), сравнимые с губчатой костью человека. ICTO-наночастицы демонстрировали отличную стабильность поверхности, с отслоением, происходящим только при механическом соскребании или внешнем энергетическом воздействии.

Рисунок 2 | Морфология и структурная характеристика HS-ICTO. а: Схематическое изображение каркаса HS-ICTO от миллиметрового до атомного масштаба (серый: O; голубой: Ti; желтый: Ir); b: Типичное изображение SEM HS-ICTO; c, d: Изображения HS-ICTO с высоким увеличением SEM; e: Изображение TEM ICTO; f: Карта элементного распределения EDS ICTO; g: Изображение ICTO с высоким разрешением TEM; h: Изображение ICTO с сверхвысоким увеличением TEM; i: Изображение HAADF-STEM ICTO и соответствующий спектр FFT; j: Спектры XPS ICTO и Ir/C в области Ir 4f; k: Спектры XPS ICTO и TO в области Ti 2p; l: Нормализованный спектр XANES Ir L3 края; m: Спектр преобразования Фурье k³-взвешенного сигнала EXAFS Ir L-края; n: Вейвлет-преобразование k³-взвешенного сигнала EXAFS. R — расстояние между адсорбированным атомом и его соседним атомом, χ(k) — амплитуда осцилляций EXAFS как функция волнового числа фотоэлектронов k, а цветовой градиент — от оранжевого (высокая интенсивность сигнала) до голубого (низкая интенсивность сигнала).

В данном исследовании мы успешно разработали и изготовили активируемые ультразвуком и биокаталитические 3D-печатные гидроксиапатитные каркасы (HS-ICTO) методом прямой печати чернилами (DIW). Основываясь на концепции редокс-медицины и нацеливаясь на H₂O₂ как на общий терапевтический узел, HS-ICTO достигли интеллектуальной последовательной терапии для эрадикации остеосаркомы и регенерации костных дефектов. Основные выводы суммированы следующим образом:

1. Противоопухолевая эффективность in vivo: Межфазное химическое сопряжение Ti–O–Ir и перенос заряда HS-ICTO являются ключевыми для его многоферментоподобной каталитической активности, обеспечивая активность типа POD/OXD в слабокислой опухолевой микросреде. В сочетании с ультразвуковой активацией HS-ICTO эффективно генерирует активные формы кислорода (АФК), истощает глутатион (GSH) и снимает гипоксию, тем самым нарушая редокс-гомеостаз опухоли и структуру митохондрий. Это приводит к целенаправленному, эффективному уничтожению клеток остеосаркомы со значительным показателем ингибирования опухоли in vivo 90,43% и отличной биосовместимостью.

2. Редокс-регуляция и защита стволовых клеток: В нейтральной микросреде костного дефекта HS-ICTO проявляет сильную активность типа CAT, быстро поглощая избыточный H₂O₂ и непрерывно генерируя O₂. Это эффективно блокирует окислительный стресс, опосредованный H₂O₂, защищая жизнеспособность, миграцию и остеогенную дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток костного мозга (BMSC). Кроме того, ингибируя сигнальный путь дифференцировки остеокластов, зависящий от H₂O₂/HIF-1α, HS-ICTO снижает образование остеокластов и резорбцию кости, восстанавливая баланс между остеогенезом и остеокластогенезом.

3. Регенерация костных дефектов: HS-ICTO сохраняет пористую структуру и механические свойства 3D-печатных гидроксиапатных каркасов, соответствующие губчатой кости человека. ICTO-наночастицы демонстрируют отличную стабильность загрузки, обеспечивая длительную каталитическую активность in vitro и способствуя образованию новой кости в дефектах черепа крыс in vivo. HS-ICTO значительно увеличивает объем кости, минеральную плотность кости и количество трабекул, улучшая регенеративную микросреду костных дефектов.

4. Интегрированная и интеллектуальная терапия: HS-ICTO достигает унифицированной, интеллектуальной стратегии «ультразвуковая активация эрадикации опухоли и биокаталитическая регенерация кости», устраняя необходимость в множественных инвазивных операциях. Это обеспечивает новый подход к точной терапии остеосаркомы и регенерации тканей и дает важное руководство для разработки многофункциональных материалов для костных имплантатов.

Будущая работа будет сосредоточена на изучении долгосрочной биосовместимости HS-ICTO и проверке его эффективности в ортотопических моделях остеосаркомы и моделях костных дефектов у крупных животных. В сочетании с клиническими методами, такими как высокоинтенсивный фокусированный ультразвук (HIFU), эта стратегия может обеспечить периодическую локальную ультразвуковую активацию для удаления остаточных опухолей после операции, снижая системную токсичность и побочные эффекты.

• Журнал: Nature Communications

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

• Первые авторы: Жун Сяо, Сутун Сяо (со-первые авторы)

• Корреспондирующие авторы: Боцин Чжан, Ли Цю, Чун Чэн

• Аффилиации: Западный госпиталь Китайского университета, Школа полимерных наук и инженерии Китайского университета, Школа биомедицинской инженерии Китайского университета, Китай

• Основные ключевые слова: остеосаркома, 3D-печатный гидроксиапатитный каркас, активируемый ультразвуком, биокаталитический, нанофермент, регенерация костных дефектов, последовательная терапия

Комплексный анализ функциональных возможностей 3D-принтеров Soongon DIW (Direct Ink Writing) в данном типе исследований, включая оценку стандартных функций и рекомендуемые настройки, направленный на помощь пользователям в выборе наиболее подходящего оборудования для 3D-печати и функциональных модулей.

Из-за ограниченных знаний редактора возможны упущения или неточности в содержании. Если вы заметите какие-либо ошибки или моменты, открытые для обсуждения, мы искренне приветствуем ваши отзывы.

Редактор оперативно внесет исправления и улучшения. Спасибо за ваше понимание и поддержку!

Содержание данной статьи взято из общедоступных материалов в Интернете и публикуется с целью академического обмена и обсуждения.

Если какой-либо контент нарушает авторские права, пожалуйста, свяжитесь с нами, и он будет оперативно удален.

1. Дизайн, ориентированный на исследования: Разработан для удовлетворения требований к визуализируемым параметрам для научных экспериментов.

2. Широкая совместимость материалов: Поддерживает широкий спектр материалов из различных дисциплин и областей исследований.

3. Настраиваемая рецептура материалов: Обеспечивает гибкую адаптацию к конкретным экспериментальным потребностям.

4. Эффективная печать малых объемов: Позволяет проводить тестирование с минимальным количеством материала, снижая затраты на эксперименты и увеличивая производительность.

5. Многоголовочная, многоканальная, многоматериальная, многорежимная печать: Поддерживает сложные стратегии печати для передовых исследований.

6. Расширяемая поддержка внешних полей и настройка: Совместим с различными вспомогательными функциями и настраиваемыми расширениями.