近红外-II激活的超分子层状双氢氧化物纳米结构集成3D打印生物活性玻璃用于耐缺氧光动力骨肉瘤治疗和骨再生

《Bioactive Materials》：NIR-II-activated supramolecular LDH nanoarchitecture integrated with 3D-printed bioactive glass for hypoxia-resistant photodynamic osteosarcoma therapy and bone regeneration

　　

骨肉瘤的临床管理面临关键挑战，包括术后残留肿瘤细胞的复发和转移、化疗耐药以及肿瘤切除后因大面积骨缺损导致的自体修复能力受损。在此，研究人员开发了一种具有NIR-II响应性的新型功能化3D打印支架（BGS/I-LDH@MgO₂），旨在同时解决抑制骨肉瘤复发和促进骨再生的双重需求。该支架由3D打印生物活性玻璃支架（BGS）和MgO₂修饰的、插层5-碘间苯二甲酸（I-IPA）的ZnAl-层状双氢氧化物（ZnAl-LDHs）组成。在NIR-II照射下，该支架有效触发光动力疗法（PDT）效应以消除骨肉瘤细胞。值得注意的是，MgO₂的掺入使得肿瘤微环境内能够释放氧气，缓解缺氧并增强PDT疗效，从而获得优异的抗肿瘤性能。此外，ZnAl-LDHs和MgO₂的降解释放出Mg²⁺和Zn²⁺离子，并产生弱碱性微环境，共同促进骨髓间充质干细胞的成骨分化并加速骨愈合过程。这种功能化3D打印支架展现出优异的抗肿瘤和成骨性能，在治疗骨肉瘤相关骨缺损方面显示出巨大潜力。

论文解读

**1. 研究背景**

骨肉瘤是好发于青少年和年轻成人的原发性恶性骨肿瘤，具有局部侵袭性强、复发率高以及肿瘤细胞产生异常类骨质的特点。目前的治疗策略主要包括肿瘤切除联合新辅助和辅助化疗。尽管化疗方案的优化已将长期生存率提升至60%–70%，但仍有约30%的患者因肿瘤复发或转移而治疗失败。核心挑战在于：手术中难以完全清除浸润周围组织的残留微小肿瘤细胞，这是导致局部复发的主要原因；同时，为达到安全手术切缘而进行的大范围骨切除会造成显著骨缺损，导致肢体功能障碍、慢性疼痛和终身残疾，严重影响患者生活质量。

因此，传统的单一功能植入材料或治疗策略已无法满足临床需求。当前研究聚焦于开发集成化的智能骨修复系统，理想目标是实现双重功能：一方面通过局部药物释放或光热效应主动清除残留肿瘤细胞，有效抑制局部复发；另一方面，通过骨传导和骨诱导作用促进成骨，增强骨整合和缺损修复，重建结构完整性和功能。这种整合“抗肿瘤与骨再生”能力的多功能植入物，是提高骨肉瘤疗效和改善患者预后的关键方向。该方向的关键科学问题是如何在单一植入物中同步实现高效肿瘤消融和稳健骨再生，特别是如何克服术后缺氧微环境对氧依赖性治疗的限制。相关技术挑战包括：开发在缺氧条件下高效的PDT策略、增强活性氧（ROS）生成和深层组织穿透能力，以及无缝整合肿瘤光疗与骨诱导生物活性。

光动力疗法（PDT）是一种无创的抗癌方法，利用光触发光敏剂（PS）产生具有细胞毒性的ROS。然而，传统PS的氧依赖性导致其在缺氧微环境中疗效受限，且大多数近红外（NIR）光激活的PS存在ROS产率低的问题。第二近红外窗口（NIR-II，1000–1700 nm）凭借其卓越的组织穿透能力和更高的皮肤最大允许暴露量，为深部肿瘤的精确治疗提供了新机遇。开发具有自供氧能力和高ROS生成效率的新型NIR-II响应性PS，有望克服传统PDT在缺氧骨肉瘤微环境中的局限性。

层状双氢氧化物（LDHs）作为一类结构可调的二维纳米材料，因其良好的生物相容性和多功能特性，在肿瘤治疗和骨组织工程中备受关注。已有研究通过插层工程和缺陷调控开发了基于LDH的PS，实现了NIR驱动的肿瘤消融。此外，镁基LDH修饰的羟基磷灰石支架可通过释放生物活性离子促进血管化和骨整合。近期研究虽已展示了BGS/I-LDH实现骨肉瘤治疗与骨再生双重功能的概念，但其PDT疗效仍依赖肿瘤微环境中固有的低氧水平，且LDH基质降解缓慢导致成骨性Mg²⁺供应不足。

**2. 研究内容与主要结论**

针对上述问题，研究人员创新性地构建了一种由I-IPA插层ZnAl-LDH（I-LDH）和MgO₂纳米颗粒组成的自供氧超分子光敏剂系统，并将其负载到BGS上，制备出BGS/I-LDH@MgO₂支架，用于NIR-II PDT介导的协同骨肉瘤治疗。该支架在NIR-II照射下可有效产生PDT效应，同时MgO₂在酸性肿瘤微环境中分解并原位供氧，缓解缺氧，显著增强¹O₂生成，实现高效抗肿瘤。此外，支架降解释放的Mg²⁺和Zn²⁺离子协同促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）成骨分化和矿化。体内实验证实，BGS/I-LDH@MgO₂实现了无复发的骨肉瘤高效治疗，并在颅骨缺损修复中表现出卓越的成骨性能，这可能与PI3K/AKT/β-catenin信号通路的激活有关。该研究发表在《Bioactive Materials》。研究结论是：这种双功能支架在骨肉瘤术后治疗中，同步实现了高效抗肿瘤和促进骨再生，具有重要的临床转化潜力。

**3. 主要关键技术方法**

研究人员首先采用插层组装策略合成了I-LDH，并负载MgO₂纳米颗粒获得I-LDH@MgO₂。随后，通过浸渍法将I-LDH@MgO₂涂覆在3D打印的BGS表面，得到BGS/I-LDH@MgO₂支架。体外实验中，利用SOSG、DPBF和ESR技术检测了¹O₂生成能力；通过CCK-8、活/死细胞染色、DCFH-DA探针和Transwell实验评估了支架的细胞相容性、PDT效应、ROS生成和抗迁移能力。在体内，研究人员建立了裸鼠胫骨原位骨肉瘤模型和SD大鼠颅骨临界尺寸缺损模型，分别用于评估抗肿瘤和成骨效果。通过IVIS生物发光成像、Micro-CT、组织学染色、免疫组化/免疫荧光、转录组测序以及Western blot和ELISA等分子生物学技术，深入探究了其抗肿瘤和成骨分子机制。

**4. 研究结果**

**3.1. 合成与表征**
通过TEM、XRD、AFM、FT-IR和Zeta电位等表征，证实成功合成了I-LDH纳米片并负载了MgO₂，随后成功涂覆于BGS表面，形成具有粗糙表面和均匀元素分布的BGS/I-LDH@MgO₂复合支架。降解实验表明，该支架在酸性条件下降解更快，且I-LDH@MgO₂涂层的引入略微提高了支架的降解性能。

**3.2. ¹O₂生成检测**
SOSG、DPBF和ESR实验均证实，I-LDH@MgO₂在NIR-II（1270 nm）激光照射下具有显著的¹O₂生成能力，且MgO₂的引入赋予了其自供氧特性，即使在缺氧条件下也能维持高¹O₂产率，优于单独的I-LDH。

**3.3. BGS/I-LDH@MgO₂的¹O₂生成与离子释放**
BGS/I-LDH@MgO₂在NIR-II照射下表现出浓度依赖性的¹O₂生成能力，在6 mg/mL浸渍浓度下达到峰值。ICP-MS监测显示，Zn²⁺和Mg²⁺离子从支架中持续释放，约在两周内达到缓释平衡。

**3.4. 生物相容性**
CCK-8和溶血实验表明，I-LDH@MgO₂在浓度≤200 μg/mL时对143B细胞和BMSCs具有良好的生物相容性，符合医疗器械标准。

**3.5. 体外PDT抗肿瘤效果**
CCK-8和活/死染色结果显示，BGS/I-LDH@MgO₂在NIR-II照射下对143B、SaOS-2和MG-63骨肉瘤细胞具有显著的杀伤作用，其PDT效果优于BGS/I-LDH。DCFH-DA探针检测证实，该处理可诱导大量的细胞内ROS生成。qRT-PCR和Western blot分析表明，BGS/I-LDH@MgO₂ + L处理通过上调促凋亡蛋白Bax和下调抗凋亡蛋白Bcl-2诱导细胞凋亡。Transwell实验证明其具有优异的抗肿瘤迁移能力。

**3.6. 体内PDT抗肿瘤效果**
在原位骨肉瘤裸鼠模型中，BGS/I-LDH@MgO₂ + L组在整个16天观察期内完全抑制了肿瘤局部复发，而其他对照组均出现复发。H&E、Ki-67、TUNEL和DHE染色进一步证实了其强大的ROS介导的肿瘤消融和抗增殖活性。转录组测序和分子验证揭示，其抗肿瘤机制可能与钙信号通路激活，进而触发RYR1/CaMKII/NOS1介导的钙-一氧化氮（NO）凋亡级联反应有关。

**3.7. 体外成骨活性**
CCK-8实验表明BGS/I-LDH@MgO₂能显著促进BMSCs增殖。ALP和ARS染色显示，该支架组具有最高的ALP活性和最显著的矿化结节形成，并显著上调了ALP、RUNX2、BMP2和OPN等成骨相关基因和蛋白（RUNX2, BMP2, COL1A1）的表达。

**3.8. 体内成骨效果**
在大鼠颅骨缺损模型中，BGS/I-LDH@MgO₂组在8周时几乎完全填充缺损区域，其骨表面密度（BS/TV）、骨体积分数（BV/TV）、骨矿物质密度（BMD）和骨小梁数量（Tb.N）均显著高于其他对照组。H&E和天狼猩红染色显示了良好的骨-支架整合。转录组测序和分子验证表明，其成骨机制可能与释放的Zn²⁺和Mg²⁺离子激活PI3K/AKT/β-catenin信号通路有关，其中Zn²⁺可能通过激活SP1转录因子促进COL4A6和COL6A4等胶原蛋白表达，进而介导FAK/PI3K/AKT信号转导。

**5. 讨论与结论**
讨论部分指出，该研究开发的BGS/I-LDH@MgO₂支架通过合理的成分优化，实现了NIR-II触发的可控PDT、自供氧和持续离子释放，同时解决了术后肿瘤复发和骨缺损修复的临床难题。其优异的抗肿瘤效果归因于MgO₂原位产生O₂，有效缓解了缺氧，从而增强了PDT介导的ROS生成和细胞杀伤。其卓越的成骨效果归因于释放的Mg²⁺和Zn²⁺离子协同激活了PI3K/AKT/β-catenin信号通路，促进了成骨分化和矿化。转录组学分析揭示了其抗肿瘤和成骨作用背后的分子机制，为多功能支架的设计提供了理论依据。

研究结论总结如下：总而言之，研究人员开发了一种定制的BGS/I-LDH@MgO₂支架，以应对骨肉瘤管理中的临床挑战，包括术后肿瘤复发和广泛骨缺损修复。通过合理的成分优化，该混合支架实现了可控的PDT效率、自供氧和持续离子释放，在术后骨肉瘤治疗中显示出巨大潜力。I-LDH@MgO₂的掺入不仅实现了有效的NIR-II触发PDT，以清除残留肿瘤细胞并防止复发，还可持续释放生物活性离子以促进肿瘤相关骨缺损的再生。重要的是，在胫骨原位骨肉瘤模型中，O₂增强的PDT实现了100%的肿瘤复发抑制率。此外，I-LDH@MgO₂持续释放的生物活性离子通过激活PI3K/AKT/β-catenin轴，显著增强了BMSCs的成骨分化并加速了骨愈合。总之，这种新型混合支架代表了骨肉瘤综合术后管理的一种有前景的策略。