综述：3D纳米支架：弥合肿瘤微环境与治疗之间的差距

《Biomedicine & Pharmacotherapy》：3D nanoscaffolds: Bridging the gap between tumor microenvironment and therapy

　　

肿瘤微环境（TME）包括细胞组分——如癌细胞、非恶性免疫细胞和基质细胞——以及非细胞组分，如细胞外基质。通过复杂的信号相互作用，这些元素共同调控肿瘤的起始、进展、转移以及对抗癌治疗的耐药性。因此，靶向和调控TME为理解驱动肿瘤异质性和疾病进展的复杂机制提供了新颖且有价值的见解。鉴于纳米医学的最新进展，研究人员开发了多种具有良好理化性质的3D支架，用于模拟TME并作为局部递送平台。特别是，TME响应性支架因其能够响应TME中的关键组分和信号而值得关注。在此，研究人员综述了TME关键组分的分类、特征和功能作用。本综述还强调了3D支架的应用、进展和未来前景，重点在于其在3D TME建模和局部递送系统中的使用。此外，研究人员讨论了传统TME建模和药物递送系统的局限性，并提供了3D支架的未来展望。

论文主体部分总结如下：

**1. 引言**

癌症是全球主要死亡原因之一，每年约1930万新发病例和1000万死亡病例。肿瘤细胞快速增殖破坏了正常组织环境的动态平衡，形成了肿瘤微环境（TME）。TME由肿瘤细胞及其周围的免疫细胞、毛细血管、基底膜、活化的成纤维细胞和细胞外基质（ECM）组成。肿瘤与微环境之间的相互作用导致先天性和获得性治疗耐药。因此，研究TME的特异性特征并设计靶向调控策略至关重要。相较于全身性给药，局部癌症治疗可通过可控方式将药物递送至靶肿瘤，减少副作用。植入式3D纳米支架在术后癌症管理中备受关注，可提供局部持续药物释放并支持组织再生。支架在精准模拟肿瘤组织微环境、理解癌症机制和发现新疗法方面也发挥关键作用。

**2. TME的关键组分**

**2.1. 癌症相关成纤维细胞（CAFs）**

正常成纤维细胞在受到外源信号刺激后可转化为癌症相关成纤维细胞（CAFs）。CAFs通过分泌转化生长因子β（TGF-β）、骨形态发生蛋白（BMPs）、血小板衍生生长因子（PDGFs）等因子，重塑ECM，刺激癌细胞增殖和血管生成，并增加炎症反应。2023年Liu等人发现CAFs通过结合整合素家族并激活磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/AKT）通路，促进食管鳞状细胞癌（ESCC）的细胞增殖、血管生成和ECM重建。CAFs特异性分泌的乳脂肪球-表皮生长因子因子8蛋白（MFGE8）与整合素αVβ3/αVβ5受体结合，激活PI3K/AKT和细胞外信号调节激酶（ERK）/AKT信号通路，驱动肿瘤进展。2025年Zhang等人报道了CAFs与肝转移起始细胞（LMICs）之间通过SEMA3C–NRP2配体-受体对的相互作用，激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路，促进肝转移。

**2.2. 肿瘤血管和血管周围组分**

肿瘤血管网络通过新血管形成、现有血管重塑和内皮前体细胞分化而发展。缺氧是实体瘤微环境的关键特征，与不良预后相关。Harada等人显示Wnt5a在缺氧诱导的炎症成纤维细胞（InfFib）中表达，并与缺氧诱导因子2（HIF2）激活相关，通过诱导可溶性血管内皮生长因子受体1（sFlt1）分泌来抑制血管生成，维持缺氧环境。周细胞在TME中从血管脱落并改变表型，削弱血管屏障，促进肿瘤血管生成，导致缺氧、免疫耐受和化疗效果降低。肿瘤相关内皮细胞（TECs）通过CXCL12–CXCR7通路促进血管生成和肿瘤生长。

**2.3. 细胞外基质（ECM）**

ECM是由细胞外蛋白和糖蛋白构成的网络，通过机械转导传递机械和生化信号。在癌症中，ECM变得高度紊乱，具有促肿瘤和抗肿瘤双重效应。癌症细胞和CAFs负责ECM重塑和失调，而ECM通过提供支持性微环境促进癌细胞增殖、进展、耐药和转移。肿瘤ECM还可通过生成肿瘤相关巨噬细胞（TAM）表型导致免疫抑制。整合素和基质金属蛋白酶（MMPs）的上调与不良预后相关。ECM的致密间质反应作为物理屏障阻碍药物递送并影响肿瘤血管结构。

**2.4. 免疫细胞**

癌细胞通过调节免疫检查点、肿瘤诱导的免疫抑制、调控TME和破坏抗原呈递与识别等机制逃避宿主免疫监视。免疫检查点分子如细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4（CTLA-4）和程序性死亡蛋白1（PD-1）被癌细胞利用。肿瘤通过分泌白细胞介素-8（IL-8）、IL-10、TGF-β和血管内皮生长因子（VEGF）等免疫抑制因子，招募调节性免疫细胞，并表达检查点分子来抑制免疫应答。髓源性抑制细胞（MDSCs）通过抑制T细胞免疫促进肿瘤进展。TME中的代谢重编程（如糖酵解增加）导致酸化，抑制T细胞和自然杀伤（NK）细胞的细胞毒活性。抗原呈递和识别途径的损伤（如MHC-I下调）也被癌细胞利用。然而，有研究显示CD8⁺T细胞仍能通过NKG2D受体与配体相互作用杀伤MHC-I缺陷的肿瘤细胞。

**2.5. TME来源的外泌体**

外泌体是大小为50-100 nm的小膜囊泡，可由肿瘤细胞或基质细胞分泌，递送活性生长因子、细胞因子、DNA片段及编码/非编码RNA。胶质母细胞瘤干细胞衍生的外泌体传递Notch1蛋白，增强干性和致瘤潜力。人类表皮生长因子受体2阳性（HER2⁺）外泌体可通过降低曲妥珠单抗的肿瘤抑制效果和NK细胞细胞毒性来促进肿瘤进展。前列腺癌细胞分泌的外泌体携带PD-1，通过JAK/STAT3信号激活MDSCs，降低CD8⁺T细胞浸润。成纤维细胞来源的外泌体通过Wnt-平面细胞极性（PCP）信号增强乳腺癌细胞运动。NK细胞来源的外泌体具有靶向细胞毒性和抗肿瘤作用。树突状细胞来源的外泌体携带MHC-I和MHC-II以及共刺激分子，可激活抗原特异性CD4⁺和CD8⁺T细胞。外泌体中的miRNA通过阻断凋亡、改变细胞周期和增加氧化应激来增强化疗耐药性。

**3. TME的建模**

**3.1. 传统癌症模型**

二维细胞培养在平坦表面上进行，方法简单廉价，但无法模拟体内环境，细胞黏附、细胞骨架和基因表达异常，缺乏细胞-细胞和细胞-基质相互作用，且缺乏营养差异获取，不适合研究药物渗透和细胞机制。实验室动物模型复杂，存在伦理、时间和成本问题，且大型动物成本高，小型动物与人类生理差异显著。

**3.2. 实验室环境下的先进3D模型**

3D培养可生成类ECM结构，更准确地模拟细胞-细胞和细胞-基质相互作用，形成缺氧区域及营养和氧气梯度，能更可靠地代表实体瘤的病理生理学。基于细胞培养的3D模型包括球状体和类器官。球状体可自组装，模拟细胞-ECM相互作用、缺氧和扩散梯度；类器官由原代组织或干细胞自组织形成，通常在类ECM水凝胶中培养。基于纳米纤维的3D模型广泛使用静电纺丝纳米纤维支架，具有与ECM相似的高空间、结构和组成相似性，可加载生化刺激物。例如，聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸酯)纳米纤维与胶原肽结合用于胃癌模型，评估化疗敏感性。基于水凝胶的3D模型可精确模拟癌症组织，适用于类器官再生。例如，RADA16-I肽纳米纤维支架用于卵巢癌建模，细胞在支架中表现出强增殖潜力，对5-氟尿嘧啶、紫杉醇和姜黄素的耐药性比2D培养高2-5倍。器官芯片系统是微流控细胞培养平台，可再现组织水平的病理生理学，包括多细胞组织、化学梯度、组织-组织界面、机械线索和血管灌注，用于研究肿瘤进展、转移、药物筛选和纳米载体性能。3D生物打印通过精确放置细胞、生物材料和生物活性因子，构建仿生TME模型，例如结合PCL支架与结直肠癌细胞和巨噬细胞的共培养，展现增强的细胞黏附和耐药性。

**4. TME建模的支架材料**

**4.1. 聚合物基支架**

聚合物支架可分为天然和合成两类。天然聚合物支架包括蛋白质基（如胶原、明胶、丝素、纤连蛋白）和多糖基（如壳聚糖、透明质酸）支架。例如，3D打印胶原支架可维持冷冻保存的患者来源黑色素瘤外植体的长期培养；明胶水凝胶模拟低氧和酸性TME用于肺癌细胞培养；透明质酸水凝胶支持肝癌细胞生长并增强化疗敏感性。合成聚合物支架如聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）和聚己内酯（PCL）可定制机械和生化性能，但可能需要表面改性。PCL支架在3D培养中富集乳腺癌细胞的癌症干细胞（CSC）群体。复合材料如明胶-降冰片烯（GelNB）水凝胶系统可同时增加基质刚度和粘弹性，诱导胰腺癌细胞的上皮间质转化（EMT）。水基可生物降解聚氨酯（WBPU）支架具有类似肺组织的机械和形态特性，支持肺癌细胞快速形成球状体，并上调抗凋亡和EMT相关基因表达。

**4.2. 脱细胞ECM支架**

脱细胞ECM（dECM）支架通过去除细胞和核物质，保留胶原、蛋白聚糖、层粘连蛋白、弹性蛋白和生长因子等TME组分，具有高度仿生性。通过调控赖氨酰氧化酶（LOX）活性可生成不同刚度的3D dECM支架，用于研究基质-肿瘤相互作用。Matrigel是商业化的基底膜提取物，常用于肿瘤类器官培养，但批次间存在差异。Matrigel基3D培养可捕获患者来源的胶质母细胞瘤模型中的免疫抑制表型。

**5. 支架理化性质作为肿瘤微环境的主动调节因子**

支架的刚度、孔隙率和降解动力学是主动调节TME的关键物理参数。刚度通过整合素介导的黏着斑和RhoA/ROCK通路以及转录激活因子YAP/TAZ转导机械信号。高刚度可通过PLCγ1和EGFR相关的Mena上调促进乳腺癌细胞侵袭，并通过Piezo1-YAP信号调节巨噬细胞极化（M1/M2）。孔隙率，特别是孔径大小，控制细胞迁移方式：小孔支持蛋白酶依赖性迁移，大孔支持非蛋白酶依赖性迁移。最佳孔径因生物学终点而异。支架降解过程中，孔隙率、直径和机械强度持续变化，可能导致药物爆发释放或过早耗竭，降解副产物可改变TME的pH和酶活性。

**6. 药物递送和控释应用**

与全身给药不同，局部递送系统通过微创直接植入肿瘤部位，实现多药共递和可控释放。TME响应性支架能在目标位点快速释放药物。例如，3D打印PLA支架负载紫杉醇（PTX）可持续释放21天，在体内显著抑制肿瘤生长并降低全身毒性。壳聚糖纳米颗粒负载5-氟尿嘧啶（5-FU）并嵌入海藻糖水凝胶，用于骨肿瘤局部递送。双功能明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶负载甲氨蝶呤微球用于抗肿瘤，内层GelMA/海藻糖水凝胶含纳米二氧化硅和纳米羟基磷灰石用于骨再生。支架基药物递送系统还可扩展到癌症免疫治疗，如植入式生物聚合物支架递送嵌合抗原受体（CAR）T细胞至实体瘤，比全身递送更有效地清除肿瘤。膀胱基质（UBM）支架通过CD4⁺T细胞和巨噬细胞抑制黑色素瘤，并增强PD-1/PD-L1检查点抑制剂的抗癌效果。

**7. 肿瘤微环境响应性支架**

**7.1. TME中的酸性pH**

肿瘤酸性环境（pH 6.5-7.2）与正常组织（pH 7.4）的差异可用于设计pH响应性支架。阴离子和阳离子支架的释放行为取决于聚合物浓度、生物降解和膨胀比。例如，PLLA/Bi₂Te₃-CaO₂支架在酸性TME中，CaO₂水解产热并触发Bi₂Te₃的热电催化产生ROS。DOX-JQ1@Gel支架在酸性环境中释放阿霉素（DOX）和JQ1，DOX诱导免疫原性细胞死亡，JQ1阻断PD-L1检查点，协同增强抗肿瘤免疫。pH敏感纳米纤维支架（PCL/IONPs/碳酸氢铵）在酸性残留肿瘤中分解，释放DOX并结合交变磁场的磁热效应，协同抗肿瘤。

**7.2. 肿瘤驻留免疫抑制细胞**

免疫抑制细胞（ISCs）包括CAFs、肿瘤相关中性粒细胞（TANs）、TAMs、MDSCs、调节性B细胞（Bregs）和调节性T细胞（Tregs）。CAFs通过形成致密纤维化ECM（结缔组织形成）形成物理屏障，限制免疫细胞浸润和药物递送。CAFs还通过激活TGF-β通路促进纤维化。支架策略旨在重编程CAFs，而非完全消除。例如，PCL/氧化石墨烯（GO）静电纺丝支架通过表面氮等离子体活化和GO共价功能化，选择性捕获癌细胞和CAFs，并通过近红外光热消融破坏它们。TAMs的功能极性受支架孔径和纤维直径影响，较小孔径的聚二氧六环酮（PDO）支架可诱导M1型巨噬细胞重编程。聚丙烯酰胺水凝胶的基质刚度和配体密度可调节Jurkat T细胞的活化和IL-2分泌。

**7.3. 基质金属蛋白酶（MMPs）**

MMPs在肿瘤进展中起关键作用，可用于靶向药物递送。Sun等人开发的多功能MMPs响应性支架，包含MMP可裂解脂质体（包裹miRNA）、Fe₃O₄纳米颗粒和温度敏感脂质体（包裹DOX）。该支架在交替磁场下释放miRNA提高药物敏感性，同时磁热疗同步释放DOX，克服耐药性。

**7.4. 活性氧（ROS）**

ROS在肿瘤发生中促进遗传不稳定、细胞增殖和EMT。ROS响应性支架可实现控释。Wang等人使用PVA和TSPBA构建ROS响应性支架，局部释放抗PD-L1阻断抗体（aPDL1）和吉西他滨（GEM），在高度ROS的TME中触发程序性释放，诱导免疫原性肿瘤表型。DNA支架整合ROS敏感连接子，负载DOX/维拉帕米的PLGA纳米颗粒和IL-21，用于增强NK细胞免疫治疗。

**8. 体内转化的关键挑战**

主要挑战包括宿主异物反应导致的纤维化包裹，使支架与肿瘤组织分离，损害药物释放和免疫细胞运输。支架性能因癌症类型而异，如胰腺导管腺癌需考虑致密ECM和扩散屏障，非小细胞肺癌需关注血管化和灌注。3D支架是否能充分再现TME异质性至关重要。手术植入与可注射性之间的权衡是关键设计决策：预制支架控制精确但需侵入性操作，可注射系统微创但面临爆发释放和结构完整性挑战。监管方面，3D纳米支架作为纳米材料、装置和生物组分的混合产品，尚无FDA或EMA的专门指南，阻碍临床转化。

**9. 结论**

TME已成为治疗干预的焦点。TME特异性策略可靶向ECM、免疫细胞、MMPs、ROS和酸性pH等组分。刺激响应性支架提高了癌症治疗的灵敏度和精确性。3D培养系统（如合成和天然支架平台）在模拟TME方面取得进展，但各有限制。复合支架、3D打印和脱细胞ECM支架受到关注。3D纳米支架为建模和靶向TME提供了有前景的平台，但临床转化需进一步解决可扩展性、监管批准、成本效益和生物学相关性等问题。未来支架设计应转向临床对齐、分子导向的平台，以捕捉肿瘤异质性并支持更有效、更个体化的癌症治疗。