整合羟基磷灰石纳米粒子和阿贝西利的微针贴敷剂用于治疗脑膜瘤

《Acta Biomaterialia》：Microneedle patch integrated with hydroxyapatite nanoparticles and abemaciclib for treatment of meningioma

　　

摘要

手术仍是脑膜瘤的主要治疗方法，放疗则用于高级别肿瘤、残留病灶及复发患者。然而，许多高危脑膜瘤尽管经过切除或放疗仍会继续进展，而有效的药物治疗仍然缺乏。本研究采用明胶甲基丙烯酰水凝胶（Gel-MA）局部微针递送策略，在脑膜瘤细胞系模型中共递送羟基磷灰石纳米颗粒（n-HA）与选择性CDK4/6抑制剂阿贝西替尼。在所测试的模型中，n-HA与阿贝西替尼均与增殖减少、凋亡相关信号增加及细胞周期抑制相关。探索性RNA测序提示，n-HA处理与细胞应激、钙稳态、凋亡、内吞及免疫相关通路的转录变化有关；这些发现应被解读为假说生成性证据，而非确定的机制性证据。在原位异种移植模型中，局部微针递送n-HA与阿贝西替尼抑制了肿瘤进展，并与治疗相关的组织学变化相关。总体而言，本研究提供了概念验证证据，表明可生物降解微针平台可能实现残留、复发或不完全可切除脑膜瘤的局部联合治疗。

意义声明

羟基磷灰石纳米颗粒（n-HA）是一种类骨材料，可抑制脑膜瘤细胞生长，同时刺激抗肿瘤免疫反应，提示其具有超出结构生物材料之外的治疗潜力。我们进一步证明，n-HA与阿贝西替尼协同作用，增强肿瘤抑制和免疫应答。为将该联合方案精确递送至肿瘤部位，我们开发了GelMA微针贴片，实现局部化和可控释放，降低了对全身给药的依赖。在动物模型中，负载n-HA与阿贝西替尼的微针产生了显著的抗肿瘤效果。最后，引入β-环糊精改善了阿贝西替尼的生物利用度，增强了局部治疗效果。综上，本研究提出了一种具有免疫活性的生物材料–药物微针策略，有望实现更安全、更有效的脑膜瘤治疗。

引言

脑膜瘤是最常见的中枢神经系统原发性肿瘤，起源于覆盖脑和脊髓的脑膜，占所有原发性颅内肿瘤的40.8%[1]。根据世界卫生组织（WHO）的分类标准，脑膜瘤主要依据组织学被分为三个恶性等级[2]。1级脑膜瘤约占所有病例的80.3%，表现为良性生物学行为，通常预后良好。相比之下，2级（非典型）和3级（间变性）脑膜瘤分别约占所有病例的17.9%和1.6%，倾向于侵犯邻近的脑组织、血管、脑膜或颅骨结构[[3], [4], [5]]。尽管对脑膜瘤的分子、测序及DNA甲基化谱分析的理解不断深入，手术和放疗仍是唯一推荐的治疗方法。系统性治疗在脑膜瘤中通常疗效有限且不一致，一般在局部治疗选择耗尽后或在临床试验框架内才被考虑[[6], [7], [8]]。与其他系统性肿瘤不同，靶向治疗和免疫治疗尚未在脑膜瘤治疗中发挥重要作用[9]。由于治疗策略不足，高级别或不完全可切除的脑膜瘤更容易复发，具有较高的致死率和致残率，凸显了亟需全新治疗方法的紧迫性[10,11]。

近年来，无机纳米材料（如聚合物或金属材料）的应用在癌症治疗中展现出巨大潜力[[12], [13], [14]]。羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2, HA]是人体骨骼和牙齿的主要无机成分，凭借其优异的生物相容性和生物活性在生物医学领域发挥着重要作用[[15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]]。研究表明，HA纳米颗粒（n-HA）相较于粗晶HA表现出更优的生物活性。n-HA不仅可作为药物递送载体，还在多种肿瘤中发挥抗肿瘤作用，包括骨肉瘤[22]、肝癌[23]、胃癌[24]、结肠癌[25]、黑色素瘤[26]和乳腺癌[27]。n-HA的抗肿瘤特性随晶体尺寸、形貌和孵育时间而变化，重要的是，n-HA对正常细胞无毒性[[28], [29], [30], [31]]。尽管效果显著，n-HA的抗肿瘤机制尚未完全阐明。n-HA可诱导肿瘤细胞凋亡或程序性死亡[32]，或通过溶酶体或线粒体依赖途径引起氧化应激诱导的凋亡[33]。此外，n-HA已被证明具有免疫调节作用，能够激活免疫系统并刺激细胞因子、趋化因子及其他免疫介质的产生[[34], [35], [36]]。研究发现，n-HA在体外可增加神经突的长度，提示其在治疗颅内肿瘤所致脑损伤方面的潜在应用[37]。尽管n-HA在各种肿瘤中发挥细胞毒作用，但其在颅内脑膜瘤治疗中的作用仍知之甚少，其潜在机制有待进一步探索。

如上所述，最新WHO分类已将TERT启动子突变和CDKN2A/B（细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂2A/B）纯合性缺失作为3级脑膜瘤的独立标准。CDKN2A/B纯合性缺失导致编码的p16蛋白缺失，使其无法抑制细胞周期蛋白依赖性激酶4和6（CDK4/6）。这种抑制功能的缺失进而导致视网膜母细胞瘤蛋白（RB）磷酸化，使转录因子E2F从与RB结合的复合物中释放出来，导致下游癌基因的激活[[38], [39], [40]]。选择性CDK4/6抑制剂已获得FDA批准用于治疗激素受体阳性乳腺癌，目前正被评估用于其他恶性肿瘤的药物疗法[[41], [42], [43], [44], [45]]。临床前研究表明，CDK4/6抑制剂在脑膜瘤的体外和体内均表现出抗肿瘤作用[[46], [47], [48], [49]]。越来越多的研究提示，CDK4/6抑制剂可通过增加肿瘤抗原呈递、释放衰老相关分泌表型、耗竭调节性T细胞及激活效应T细胞来增强抗肿瘤免疫应答[[50], [51], [52], [53]]。CDK4/6抑制剂可能在抑制细胞周期的同时，正向调节n-HA在脑膜瘤治疗中的免疫调节作用。

微针（MN）是一种长度为数十至数千微米的微针阵列，专为最小创伤的透皮药物递送而设计[54,55]。凭借其改善局部药物生物分布和生物利用度以及降低全身毒性的优势，微针在靶向肿瘤治疗中展现出巨大前景[[56], [57], [58]]。尽管脑膜瘤是脑外肿瘤，不像脑内肿瘤那样受血脑屏障保护，但基于微针的局部递送仍可能具有优势，通过增加手术暴露的肿瘤床的药物暴露量，同时降低全身毒性[[59], [60], [61]]。作为一种有前景的微针制备材料，明胶甲基丙烯酰（Gel-MA）水凝胶凭借其多重优势——包括优异的生物相容性、可生物降解性及在光引发剂存在下的光交联能力——受到了广泛关注[[62], [63], [64]]。阿贝西替尼是一种选择性CDK4/6抑制剂，具有疏水性，溶解度低，在微针中易发生沉淀分布[65]。环糊精是一种环状低聚糖，因其兼具生物相容性和安全性、能够增强药物溶解度而受到广泛研究[66,67]。

在本研究中，我们设计了接枝β-环糊精并负载n-HA和阿贝西替尼的GelMA微针贴片，以探索高危脑膜瘤模型的局部递送策略（图1）。我们设想该平台主要用于术后或手术暴露场景，如残留肿瘤表面、脑膜瘤切除边缘、硬脑膜相关肿瘤床或肿瘤–脑界面，而非非特异性穿透正常脑组织。基于甲基丙烯酰修饰明胶设计了可吸收可降解微针。为负载疏水性CDK4/6抑制剂，将明胶与β-环糊精接枝，利用环糊精的空腔包裹阿贝西替尼。微针负载n-HA以探索其在脑膜瘤局部治疗中的潜在应用。负载n-HA和阿贝西替尼的微针支持持续的局部释放。在所测试的脑膜瘤细胞系模型中，n-HA与凋亡相关信号增加及肿瘤细胞增殖减少相关，而阿贝西替尼与CDK4/6相关的细胞周期抑制相关。该联合平台进一步作为侵袭性脑膜瘤模型局部治疗的概念验证进行了评估（图1）。

材料

Ca(NO3)2·4H2O、(NH4)2HPO4和NH3·H2O购自成都科隆化学试剂有限公司（四川，中国），均为分析纯。明胶（A型，300布氏值，猪皮来源）、羧甲基-β-环糊精、2-吗啉乙烷磺酸（MES）、1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺（EDC）和结晶紫试剂购自Sigma-Aldrich（密苏里州，美国）。光引发剂苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰磷酸锂（LAP）和甲基丙烯酐（MA）购自……

颗粒表征及其对脑膜瘤细胞的影响

本研究中使用μ-HA和n-TiO2颗粒作为n-HA的对照，以确定抗肿瘤作用是源于材料组成还是粒径。代表性透射电子显微镜（TEM）图像显示，n-HA呈杆状且具有规则的晶体结构，而μ-HA呈球形颗粒，n-TiO2则呈团聚状态（补充图S1）。高分辨透射电子显微镜测得的晶格条纹间距……

讨论

手术后的残留和复发脑膜瘤仍然是一个重大挑战。尽管对于部分复发或残留脑膜瘤，再次手术和放疗仍是首选的局部治疗方案，但其使用可能受限于肿瘤位置、既往治疗、邻近颅神经或主要血管以及累积毒性；此外，目前尚无获批的脑膜瘤药物治疗[[76], [77], [78]]。尽管各种化疗药物和分子靶点……

结论

在本研究中，我们开发了基于β-环糊精功能化的可生物降解GelMA微针，用于共递送n-HA和阿贝西替尼，以实现侵袭性脑膜瘤模型的局部治疗。在所测试的细胞系模型中，n-HA和阿贝西替尼均与增殖减少、凋亡相关信号增加及细胞周期抑制相关，而微针平台则实现了局部共递送和持续释放。探索性RNA测序提示了候选的应激反应、细胞死亡……

作者贡献

#H.B. Teng、Q.Q. Ren和C.F对本工作贡献同等。所有作者共同撰写了本稿件。所有作者均已批准稿件最终版本。

数据可用性

数据将根据要求提供。

生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明

在本工作准备过程中，作者使用了ChatGPT以改善语言表达。使用该工具后，作者对内容进行了审阅和编辑，并对出版内容承担全部责任。

CRediT作者贡献声明

Haibo Teng：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，验证，软件，方法学，形式化分析，数据整理。

Qingqing Ren：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，验证，方法学，形式化分析，数据整理。

Cong Feng：撰写–审阅与编辑，可视化，验证，软件，项目管理，形式化分析，数据整理。

Haibo Tao：。

Yuyi Wang：可视化，监督，软件，形式化分析。

Haibo Teng|Qingqing Ren|Cong Feng|Haibo Tao|Yuyi Wang|Hao Shi|Xin Qiao|Zhiyong Liu|Ouying Yan|Hongxu Chen|Xiangdong Zhu|Kai Zhang|Xiangfeng Li|Xingdong Zhang|Jianguo Xu