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  骨腫瘤作為一種常見的腫瘤疾病給患者帶來了極大的痛苦。實現骨腫瘤與骨再生的一體化治療是目前面臨的一個重要的挑戰。近日，西南交通大學魯雄教授課題組聯合中國海洋大學韓璐教授、廣東省人民醫院張余教授、華南理工大學方立明副教授，設計了一種可用于促進骨組織修復同時抑制腫瘤復發的一體化治療的支架材料，實現腫瘤微環境響應性的智能藥物釋放。

  該研究以仿貽貝納米MOFs為納米藥物載體，其具有高表面粘附性、良好的水分散性、生物穩定性、及腫瘤微環境敏感性等特點，是一種新型的藥物納米遞送系統。首先，基于酚羥基化學，提出多巴胺-金屬離子螯和作用及原位雜化調控ZIF-8晶體生長的策略，實現對MOF形貌、尺寸及穩定性的有效調控。該仿貽貝納米MOFs(pZIF-8 nanoMOFs)可以作為骨修復生長因子（BMP-2）及抗腫瘤小分子藥物（順鉑）釋放載體。該聚多巴胺雜化策略解決了ZIF -8在液體環境中不穩定的問題，且賦予其表面大量反應活性的酚羥基，為藥物及蛋白固載提供活性位點，實現藥物及蛋白高效穩定固載。

  其次，將粘附性的載藥pZIF-8 NPs與羥基磷灰石納米顆粒（pHA NPs）交替組裝在3D打印明膠支架表面，通過控制不同組分組裝次序及層數，使得順鉑與BMP-2在支架中空間有序分布，實現腫瘤微環境響應的智能按需釋放，腫瘤治療與骨組織修復在時間和空間上相匹配，防止術后骨腫瘤復發。

圖1. 具有粘附性的聚多巴胺雜化ZIF-8（pZIF-8 nanoMOFs）和聚多巴胺改性的羥基磷灰石納米顆粒（pHA NPs）在3D打印明膠支架上交替組裝得到具有抗腫瘤和骨修復雙重功能的3D打印支架。

（a）原位負載順鉑和BMP-2的pZIF-8 nanoMOFs，及聚多巴胺修飾羥基磷灰石納米顆粒（pHA NPs）制備示意圖。

（b）將載藥pZIF-8 nanoMOFs與pHA NPs采用層自組裝的方式組裝在3D打印明膠支架表面，形成pZIF-8/pHA復合涂層修飾的明膠（pZIF-8/pHA-G）支架。

（c）pZIF-8/pHA-G支架在植入后，能夠響應腫瘤微環境釋放順鉑從而抑制腫瘤生長；同時，該支架能夠保護BMP-2的活性，并緩釋BMP-2來維持有效劑量從而實現骨缺損修復。

圖2. 基于貽貝啟發的酚羥基化學， 采用PDA調控ZIF-8生長得到具有良好水分散性、生理穩定性、高載藥效率、腫瘤微環境敏感可控降解性、粘附性的 pZIF-8 nanoMOFs。

（a）PDA 調控納米尺寸的pZIF-8 MOFs的形成示意圖。

（b）pZIF-8 nanoMOFs和ZIF-8顆粒的TEM圖像。插圖表示pZIF-8 nanoMOFs分散液在激光照射下產生丁道爾效應，表明其在去離子水中分散均勻。

（c）pZIF-8 nanoMOFs的HAADF-STEM和EDS圖譜。

（d）pZIF-8 nanoMOFs和ZIF-8顆粒的XRD圖譜。

（e）pZIF-8 nanoMOFs和ZIF-8粒子的XPS光譜，以及pZIF-8 nanoMOFs的O1s的高分辨率XPS光譜。

（f）pZIF-8 nanoMOFs和ZIF-8顆粒的Zeta電位。

（g）pZIF-8 nanoMOFs和ZIF-8顆粒在77 K下的氮吸附-解吸等溫線。

（h）模擬腫瘤微環境下pZIF-8 nanoMOFs的降解行為；（1）pZIF-8 nanoMOFs分散液在不同降解狀態下的照片，（2）pZIF-8 nanoMOFs在不同緩沖液中的降解曲線。

（i）pZIF-8 nanoMOFs對順鉑和BMP-2的包封效率。

（j）CLSM顯微照片顯示了pZIF-8 nanoMOFs中封裝的模型蛋白（羅丹明B標記的BSA，紅色）的熒光。

（k）照片顯示pZIF-8 nanoMOFs能夠直接在各種基材表面粘附組裝。

圖3. pZIF-8 nanoMOFs和pHA NPs通過層層自組裝技術修飾3D打印明膠支架。

（a）照片顯示（i）3D打印明膠支架，（ii）pZIF-8 nanoMOFs和pHA NPs組裝后支架（pZIF-8/pHA-G），該支架具有良好的柔韌性，易于彎曲。

（b）納米顆粒組裝前后的支架表面的SEM圖像及EDS圖像。

（c）SEM分析支架表面的組裝的pZIF-8/pHA復合涂層的厚度。

（d）pZIF-8/pHA復合涂層截面的EDS mapping圖像。

（e）基于聚多巴胺輔助pZIF-8 nanoMOFs和pHA NPs 組裝分子機理圖。

圖4 . 智能藥物釋放系統支架表征。

（a）順鉑和BMP-2在支架表面的空間分布示意圖。

（b）熒光圖像顯示了香豆素標記的順鉑（綠色）和羅丹明B標記的模型蛋白（BSA，紅色）的在支架表面的分布情況。

（c）在不同緩沖液中順鉑（i）和BMP-2（ii）在pZIF-8/pHA-G支架表面的釋放行為。

（d）SEM圖像顯示，pZIF-8/pHA-G支架在不同緩沖液（i，ii）PBS（pH 7.4）和（iii，iv）含有0.1 mM H2O2的PBS（pH 6.5）中浸泡7天和14天后的表面形貌的變化。

圖5. 體外腫瘤細胞與支架共培養，評估負載順鉑的pZIF-8/pHA-G支架對不同腫瘤細胞增殖的抑制作用。

（a）4T1，（c）MG63，（e）Saos-2和（g）UMR-106細胞在不同支架表面培養3天后的活/死染色圖像。綠色：活細胞；紅色：死細胞。

（b，d，f，h）細胞在支架表面培養3天后，采用MTT測定不同支架表面的細胞活性。

圖6 建立小鼠骨肉瘤模型，考察負載順鉑的pZIF-8/pHA-G支架體內抗腫瘤效果。

（a）治療后7天的小鼠體重變化曲線。

（b）治療后7天的相對腫瘤生長曲線。

（c）在第7天不同治療組小鼠腫瘤重量分析圖

（d）在第7天帶瘤小鼠的實物圖像

（e）治療7天后，取樣腫瘤的實物圖像。

（f）H&E染色，TUNEL染色和Ki67免疫熒光分析經不同治療7天后腫瘤組織。S：支架，T：組織。

圖7.負載BMP-2的pZIF-8/pHA-G支架體外誘導骨髓間充質干細胞(BMSCs)成骨分化。

（a）激光共聚焦圖像顯示培養3天后BMSCs在不同支架上的生長情況。

（b）SEM圖像顯示BMSCs在pZIF-8/pHA-G支架表面鋪展良好。

（c）在培養3、7天后，MTT法測定在不同支架表面的BMSCs的增殖情況。

（d）在培養7、14天后，在不同支架表面的BMSCs分泌的堿性磷酸酶（ALP）活性。

（e）在培養7、14天后，RT-PCR測定不同支架表面的BMSCs的RUNX2的基因表達。

（f）激光共聚焦圖像顯示培養14天后，不同支架表面的BMSCs的RUNX2熒光標記。

圖8. 體內股骨缺損模型，研究負載BMP-2的pZIF-8/pHA-G支架體內促進骨組織修復情況。

（a）支架植入兔股骨缺損處的手術過程圖。

（b）植入12周后，不同支架治療組的骨愈合率。

（c）植入后12周，不同支架組中骨組織的HE切片染色(c)， Masson染色(d)和OCN的免疫組化染色(e)。S：支架，FT：纖維組織，NB：新再生的骨。

  該研究成果以“Bioinspired adhesive and tumor microenvironment responsive nanoMOFs assembled 3D-printed scaffold for anti-tumor therapy and bone regeneration”為題在線發表于《Nano Today》。西南交通大學姜亞楠博士、華南理工大學潘西滿碩士、及廣東省人民醫院姚孟宇博士為論文共同第一作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2021.101182