冷大气等离子体在3D生物打印肿瘤-基质共培养模型中选择性抑制乳腺癌生长的机制研究

这篇研究开创性地利用3D生物打印技术构建肿瘤-基质共培养模型，验证了冷大气等离子体（CAP）通过活性氧氮物种（RONS）介导的氧化应激，对三阴性乳腺癌细胞（MDA-MB-231）产生选择性杀伤作用，同时保留骨髓间充质基质细胞（hbmMSCs）活性。该研究为骨转移癌的局部非侵入治疗提供了新策略。

　　

研究背景与意义

骨组织尤其是脊柱是乳腺癌转移的常见部位，现有化疗和手术存在损伤健康组织、残留肿瘤导致复发等问题。冷大气等离子体（CAP）通过释放活性氧氮物种（RONS）实现局部非侵入治疗，但其在复杂肿瘤微环境中的选择性机制尚不明确。本研究首次构建3D生物打印的肿瘤-基质共培养模型，模拟骨转移微环境，系统评估CAP的选择性效应。

实验设计与方法

研究采用1%藻酸盐/7%明胶（A1G7）水凝胶构建骨样微环境，共培养三阴性乳腺癌细胞（MDA-MB-231）与人类骨髓间充质基质细胞（hbmMSCs）。通过定制化同轴介质阻挡放电（DBD）等离子体装置，在2D/3D模型中比较不同处理时长（20-180秒）的代谢活性与细胞存活率，并利用过氧化氢酶（Catalase）、N-乙酰半胱氨酸（NAC）和还原型谷胱甘肽（GSH）验证RONS的介导作用。

关键发现

2D模型中的选择性：CAP处理45-105秒可显著降低癌细胞存活率（61.45%差异，p<0.0001），而健康细胞仅轻微受影响。热图分析显示癌细胞在3天内出现增殖反弹，提示需优化治疗间隔。

3D单培养验证：20秒处理即可在骨样水凝胶中实现42.4%的癌细胞选择性杀伤（p<0.05），且IC₅₀值稳定低于健康细胞，证实3D结构增强治疗稳定性。

3D共培养突破：在空间组织的"癌-基质"共培养模型中，45秒CAP处理产生83.6%的存活率差异（p<0.0001），而阿霉素（5 μM）无选择性。反向培养（健康细胞在内）验证几何因素不影响结果。

机制解析：

• RONS检测显示CAP处理后H₂O₂浓度提升2.5倍，Catalase完全逆转该效应

• NAC/GSH通过清除细胞内ROS使癌细胞存活率恢复至对照水平

• 氮氧化物（NO₂^-）在癌模型中特异性积累，提示双重氧化损伤机制

临床转化价值

该研究首次在仿生3D模型中证明：

1. CAP通过线粒体功能障碍（电子传递链破坏）和脂质过氧化（4-HNE生成）优先诱导癌细胞凋亡

2. 健康细胞的GSH抗氧化系统（比癌细胞高3倍）是关键保护机制

3. 液体缓冲界面（模拟体内生物流体）可优化RONS空间分布

局限与展望

当前模型尚未整合血管网络或免疫组分，未来可拓展至：

• 低氧条件下CAP敏感性测试

• 患者原代细胞个性化治疗平台

• 联合放疗/免疫治疗的协同效应评估

结论

3D生物打印平台成功揭示CAP在骨转移微环境中的时空特异性，为临床开发非侵入式精准治疗设备奠定基础。该技术特别适用于术后残余肿瘤清除，有望将乳腺癌脊柱转移的局部控制率提升30%以上。