浙江省人民醫(yī)院/浙江大學團隊：智能感知并靶向乳腺癌復發(fā)的新型3D打印乳房假體

來源： EFL生物3D打印與生物制造

乳腺癌是全球女性中最常見的癌癥，約占新發(fā)女性惡性腫瘤的30%，并且是癌癥患者的第二大致死原因（11.6%）。乳腺癌的主要治療方式是手術(shù)，包括全乳切除和保乳切除。乳房重建通常用于術(shù)后恢復乳房的形狀。當患者因供區(qū)損傷而拒絕使用自體組織瓣時，硅膠假體成為唯一的重建選擇。然而，即使是最新的硅膠假體，主要也是為全乳切除患者設(shè)計的。對于接受部分乳房切除（例如切除三分之一乳房）的患者，外科醫(yī)生通常只能將剩余的組織縫合，這往往導致不理想的外觀。迄今為止，市場上尚無適合部分乳房切除的假體。近年來，3D打印作為一種增材制造技術(shù)，已被用于為患者定制特定的構(gòu)造物，在為部分乳房切除患者提供個性化形狀假體方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，3D打印乳房假體的應(yīng)用仍處于早期階段。同時，對于接受乳房重建的患者而言，局部復發(fā)是亟待解決的問題。接受保乳手術(shù)的患者，局部腫瘤復發(fā)率高達39%；即使接受術(shù)后輔助放療的治療，復發(fā)率也仍達到14%。而且，現(xiàn)有的成像技術(shù)也只能檢測出超過106個惡性細胞的腫瘤。因此，開發(fā)一種能夠精準感應(yīng)腫瘤復發(fā)并釋放治療藥物，同時為患者提供個性化形態(tài)重建的新型假體，具有重要意義。

近日，浙江省人民醫(yī)院整形外科王吉副研究員團隊與浙江大學機械工程學院賀永教授團隊在Advanced Science發(fā)表了題為3D-Printed Breast Prosthesis that Smartly Senses and Targets Breast Cancer Relapse的原創(chuàng)性研究論文，共同開發(fā)了一種將3D打印個性化假體與可特異性響應(yīng)腫瘤的治療性水凝膠相結(jié)合的創(chuàng)新型假體。該假體突破了傳統(tǒng)乳房假體的局限性，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)個性化形態(tài)重建，還可以特異性響應(yīng)腫瘤復發(fā)，并通過釋放治療性藥物抑制腫瘤進展。個性化鏤空假體由具備良好打印性、機械穩(wěn)定性和彈性的PEGDA-F127DA水凝膠制成，可在小鼠皮下組織中長期穩(wěn)定存在，提供足夠的組織支撐功能。

特異性響應(yīng)腫瘤的治療性水凝膠（RSL3@LIPO@GEL）由脂質(zhì)體包裹的鐵死亡誘導劑RSL3（RSL3@LIPO）與腫瘤微環(huán)境（TME）中活性氧（ROS）響應(yīng)的水凝膠組成。當腫瘤復發(fā)時，水凝膠可通過識別TME中的ROS，精準釋放RSL3。RSL3不僅能夠誘導腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡，還通過調(diào)節(jié)免疫微環(huán)境，增加腫瘤浸潤的CD4+ T細胞、CD8+ T細胞及M1型巨噬細胞數(shù)量，減少M2型巨噬細胞，從而增強機體的抗腫瘤免疫應(yīng)答。

圖1 個性化乳房假體的制備及其在乳房重建和復發(fā)治療中的應(yīng)用

研究團隊通過優(yōu)化PEGDA-F127DA水凝膠的配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計，制備了與乳房組織和商業(yè)化假體性能相似的個性化鏤空假體。該假體與ROS響應(yīng)性水凝膠相結(jié)合，能夠在實現(xiàn)乳房重建的同時，對腫瘤復發(fā)進行監(jiān)測和藥物釋放，提供一種集形態(tài)重建與腫瘤治療于一體的綜合性解決方案（圖1）。

圖2 PEGDA-F127DA的生物相容性和生物降解性

個性化鏤空假體由PEGDA-F127DA水凝膠經(jīng)EFL品牌的DLP 生物3D打印機打印制成，具有與商業(yè)化假體表面相似的光滑形態(tài)。體內(nèi)外實驗均驗證了其良好的生物相容性及穩(wěn)定性（圖2）。   

圖3個性化假體的特性   

為最大化假體載治療性水凝膠的空間且賦予假體良好的支撐性，研究者們設(shè)計了具有不同直徑內(nèi)柱的鏤空假體。通過力學測試的結(jié)果得出假體-A具有最接近商業(yè)假體的彈性模量，此外其在經(jīng)過20個循環(huán)壓縮后仍具極佳的靈活性和可恢復性。隨后，體內(nèi)實驗驗證了假體-A在植入小鼠皮下后，對小鼠無毒性作用，且49天后仍未發(fā)生明顯降解。這些結(jié)果表明假體-A不僅具有與商業(yè)化假體相似的力學特性，同時具有極佳生物相容性和穩(wěn)定性（圖3）。

圖4 ROS響應(yīng)性水凝膠（TSPBA-PVA）的特性   

特異性響應(yīng)腫瘤的治療性水凝膠是由脂質(zhì)體包裹的鐵死亡誘導劑（RSL3@LIPO）和響應(yīng)腫瘤微環(huán)境中ROS的水凝膠（TSPBA-PVA）組成。研究者們首先通過一系列實驗證實了TSPBA-PVA水凝膠具有多孔結(jié)構(gòu)、載藥性、生物安全性及響應(yīng)ROS的特性，可在ROS環(huán)境下消耗ROS并被ROS降解，從而釋放出裝載的藥物，同時其藥物釋放速率可隨著ROS濃度的上升而上升。高ROS水平是腫瘤微環(huán)境中一大特征，為驗證TSPBA-PVA水凝膠能否被腫瘤微環(huán)境的ROS所降解，研究者們分別于健康小鼠皮下和腫瘤模型鼠的腫瘤區(qū)域注射水凝膠并進行觀察，結(jié)果顯示在腫瘤組織中TSPBA-PVA水凝膠的降解速率明顯快于其在正常組織中的降解速率。綜上結(jié)果表明可原位注射的TSPBA-PVA水凝膠不僅能特異性響應(yīng)腫瘤，還能作為一種有效的載體用于裝載遞送腫瘤治療性藥物至腫瘤部位（圖4）。

圖5 RSL3@LIPO@GEL的特性

RSL3是一種小分子鐵死亡誘導劑，可促進腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡。研究者們首先通過CCK-8測試及鐵死亡相關(guān)指標測試證實了RSL3可有效誘導4T1腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡。隨后，將其包裹在ROS響應(yīng)性水凝膠中進行體外藥物釋放實驗，結(jié)果表明直接裝載至水凝膠中的RSL3會在水凝膠響應(yīng)ROS之前就被快速釋放出來。為解決此問題，研究者們使用脂質(zhì)體先包裹住RSL3（RSL3@LIPO），隨后再將其裝載在ROS響應(yīng)性水凝膠中（RSL3@LIPO@GEL）。體外實驗證實了RSL3@LIPO具有抑制腫瘤細胞生長的特性，并且在被裝載進ROS響應(yīng)性水凝膠后，可在ROS環(huán)境下從水凝膠中釋放出來，并發(fā)揮其抑制腫瘤細胞生長的特性（圖5）。

圖6 腫瘤原位形成的RSL3@LIPO@GEL可有效抑制腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移

為驗證RSL3@LIPO@GEL在乳腺癌模型鼠中的抗腫瘤效果，研究者們在乳腺癌小鼠模型的腫瘤部位進行原位注射生理鹽水、GEL、RSL3@LIPO或RSL3@LIPO@GEL，并用生物發(fā)光測定和卡尺監(jiān)測腫瘤生長狀況。結(jié)果顯示RSL3@LIPO@GEL對腫瘤的生長和肺部轉(zhuǎn)移有著顯著抑制作用，同時在整個治療過程中對小鼠體重無明顯影響。此外，增殖標志物Ki-67在RSL3@LIPO@GEL組中的表達顯著下降。由此表明，RSL3@LIPO@GEL能成功地抑制小鼠乳腺腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移，并減少了藥物的系統(tǒng)毒性（圖6）。

圖7 腫瘤原位形成的RSL3@LIPO@GEL可通過引發(fā)腫瘤細胞鐵死亡和逆轉(zhuǎn)腫瘤中的免疫微環(huán)境來抑制腫瘤生長

通過檢測腫瘤內(nèi)鐵死亡相關(guān)的指標，研究者們發(fā)現(xiàn)RSL3@LIPO@GEL能顯著抑制腫瘤細胞中GPX4的水平，并增加了其脂質(zhì)自由基的水平，這表明RSL3@LIPO@GEL在小鼠體內(nèi)仍能有效誘導腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡。先前研究表明鐵死亡可上調(diào)鈣網(wǎng)蛋白的表達，并增強免疫原性細胞死亡。為驗證RSL3@LIPO@GEL在乳腺癌小鼠模型中誘導的鐵死亡是否有著相似作用，研究者們對腫瘤組織中浸潤的免疫細胞進行檢測，結(jié)果表明RLS3@LIPO@GEL治療組的腫瘤中M1巨噬細胞和CD4+T、CD8+T細胞的數(shù)量相較于對照組而言顯著上升，而M2巨噬細胞和Tregs細胞的數(shù)量則顯著下降。這些結(jié)果表明RLS3@LIPO@GEL不僅能夠誘導腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡，還通過調(diào)節(jié)免疫微環(huán)境，增加腫瘤浸潤的CD4+ T細胞、CD8+ T細胞及M1型巨噬細胞數(shù)量，減少M2型巨噬細胞，從而增強機體的抗腫瘤免疫應(yīng)答（圖7）。  

圖8 RSL3@LIPO@GEL與個性化乳房假體結(jié)合后有效抑制腫瘤生長

研究者們通過將上述鏤空假體與RSL3@LIPO@GEL相結(jié)合制備出兼具形態(tài)個性化乳房重建及治療腫瘤復發(fā)功能的新型假體，并利用小鼠乳腺癌復發(fā)模型來驗證其可行性。實驗結(jié)果表明該新型假體對于腫瘤的抑制作用要明顯優(yōu)于單純假體組，同時其對小鼠體重沒有明顯的影響（圖8）。

總而言之，特異性響應(yīng)腫瘤的治療性乳房假體對乳腺癌術(shù)后患者的乳房重建及腫瘤復發(fā)治療意義巨大。個性化乳房假體可以為部分或全部乳房切除的患者提供合適的乳房形態(tài)。治療性水凝膠（RSL3@LIPO@GEL）賦予了假體響應(yīng)腫瘤復發(fā)并抑制腫瘤復發(fā)的作用。研究者們將這兩種策略相結(jié)合，實現(xiàn)了形態(tài)個性化乳房重建，并在腫瘤復發(fā)時感應(yīng)到病灶，精準釋放治療藥物RSL3@LIPO。釋放的RSL3@LIPO通過誘導腫瘤鐵死亡和促進機體的抗腫瘤免疫反應(yīng)，共同抑制腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移和復發(fā)。

浙江省人民醫(yī)院整形外科王璐和浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院腫瘤內(nèi)科葉辰陽為本文共同第一作者。浙江省人民醫(yī)院整形外科王吉副研究員和浙江大學機械工程學院賀永教授為本文共同通訊作者。本研究相關(guān)發(fā)明已申請一系列發(fā)明專利，旨在未來把新型乳腺假體轉(zhuǎn)化應(yīng)用于臨床。

致謝：本研究受到浙江省人民醫(yī)院整形外科吳溯帆教授、孫燚主任，華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院整形外科孫家明教授、汪振星教授，浙江大學藥學院顧臻教授、王金強教授，浙江大學醫(yī)學院附屬邵逸夫醫(yī)院腫瘤外科王林波教授、周濟春教授，浙江大學機械工程學院孫元博士，及浙江省人民醫(yī)院整形外科謝明君博士（現(xiàn)浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院特聘研究員），浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院腫瘤研究所郭成教授的大力支持。本研究獲得了國家自然科學基金及浙江省自然科學基金的支持。

文章來源：
http://doi.org/10.1002/advs.202402345