项目文章 | 论生物材料对乳腺癌生长和骨转移的治疗作用

前言

癌症转移是导致高死亡率的主要原因。目前乳腺癌骨转移的治疗方式以破坏性为主，这就促使了多功能生物材料的开发，不仅可以有效地消除原发/转移肿瘤，而且可以促进骨组织再生。今天分享的这篇文章来自上海交通大学郝永强团队，联合上海大学陈雨团队在 《advanced functional materials》 杂志上发表的利用光热 3D 打印支架联合免疫检查点阻断抑制乳腺癌生长和骨转移的研究。

基本信息

实验材料：乳腺癌小鼠模型

发表期刊：advanced functional materials

影响因子：16.836

发表年份：2020.12.13

研究内容

1. 技术路线

2. BG@NbSiR 的制造和结构/组成特点

生物支架的构建过程可分为三部分，分别是功能性 Nb2C@SiR NSs 的制备、3D 打印 BG 支架的构建以及 BG 支架与 Nb2C@SiR NSs 的整合（Fig2a）。研究发现，3D 生物支架的结构比 2D 的更能有效地促进细胞附着，且 BG@NbSiR 不仅具有光热治疗效果性能，还具备增强成骨的能力（Fig2k）。与 BG 支架相比，BG@NbSiR 具有较强的光热转化能力和良好的光热稳定性。

3. BG@NbSiR 支架诱导光热治疗（photothermal therapy，PTT）后的免疫反应

为了确定 BG@NbSiR 的有效性，作者评估了 BG@NbSiR 的细胞毒性，发现 BG@NbSiR 支架上不同类型的细胞在孵育 3 天后存活率显著升高，说明 BG@NbSiR 具有良好的生物相容性。此外，通过近红外光（near-infrared light，NIR）照射后，乳腺癌细胞（breast cancer，BC）存活率明显降低（Fig3c, d），说明 BG@NbSiR 支架具有较好的 PTT 诱导癌细胞死亡的效果。

与原发灶相比，转移灶的清除更具挑战性，因此，作者探讨了 BG@NbSiR 基于支架的 PTT 是否会引发免疫反应。结果表明基于 BG@NbSiR 支架的 PTT 后的 BC 细胞碎片可促进 DCs 的成熟，提示 BG@NbSiR 支架具有免疫激活能力（Fig3a, e-f）。与 DCs 成熟结果类似，基于 BG@NbSiR 支架的 PTT 后的肿瘤细胞残留物也可以刺激白细胞介素 (IL)-6、IL-17 和肿瘤坏死因子 (TNF)α 等有利细胞因子的分泌（Fig3g-i），进一步验证了免疫佐剂（R837）增强免疫的疗效。

4. 探究 BG@NbSiR 联合抗 PD-L1 免疫治疗的抗肿瘤作用

由于抗 PD1/PD-L1 的免疫治疗及联合其他疗法治疗肿瘤已带来广阔的发展前景，因此，作者探讨了基于 BG@NbSiR 的 PTT 治疗联合抗 PD-L1 治疗对原发肿瘤及转移肿瘤的作用。结果发现，基于 BG@NbSiR 的 PTT 治疗联合抗 PD-L1 治疗能够显著抑制原发肿瘤及远端转移肿瘤的增殖（Fig4a-c）。此外，作者对 PTT 后第 12 天的远端肿瘤细胞分析（Fig4d），发现与对照组相比，联合治疗组 CD8+ T 细胞（CTLs）占比高出近 2.2 倍，而 Tregs 的百分比下降，说明 CTLs 在抗肿瘤免疫中发挥着关键作用（Fig4e-h）。

5. 基于 BG@NbSiR 的 PTT 联合抗 PD-L1 免疫治疗对肿瘤的肺和骨转移的抑制作用

作者同时对乳腺癌肺转移和骨转移的治疗效果进行评估，进一步证实了基于BG@NbSiR 的 PTT 联合抗 PD-L1 免疫治疗能够有效的抑制和预防乳腺癌的肺或骨转移（Fig5a-g），且可通过长期的免疫记忆作用预防乳腺癌的转移（Fig6）。

6. 单细胞测序分析联合治疗的作用机制

为了探讨联合治疗的潜在机制，作者对对照组（BG 治疗）和联合治疗组的小鼠样本进行单细胞转录组测序分析，确定了 4 种细胞类型（Fig7a-c）。通过 GO 和 KEGG 分析发现，联合治疗后导致参与血管生成负调控、炎症反应、先天免疫反应等功能或通路的差异富集（Fig7d-e）。此外，GSEA 分析表明，联合治疗不仅可以抑制原发性和转移肿瘤的进展，还能建立长期的免疫记忆（Fig7f-i）。CNV 分析也提示联合治疗可以降低肿瘤细胞的恶性程度（Fig7j-k）。

7. BG@NbSiR 支架的成骨性能探究

除了 BG@NbSiR 支架对乳腺癌骨转移的良好治疗效果外，作者还在体外和体内测试了 BG@NbSiR 支架的成骨性能。发现与 BG 组相比，BG@NbSi 和 BG@NbSiR 支架组的人骨间充质干细胞（hBMSCs）和小鼠骨间充质干细胞（mBMSCs）的成骨分化增强（Fig8a）。此外，在 BG@NbSi 和 BG@NbSiR 支架上接种 hBMSCs 或 mBMSCs 7 d 后，成骨基因表达均升高，进一步证实 BG@NbSi 和 BG@NbSiR 支架具有优良的成骨诱导特性（Fig8b-i）。

文章总结

本研究构建了免疫佐剂（R837）负载碳化铌（Nb2C） MXene 修饰的 3D 打印可生物降解支架（BG@NbSiR），可有效治疗乳腺癌骨转移。通过与检查点阻断免疫治疗协同作用，这种工程 BG@NbSiR 支架可以根除原发肿瘤、激活免疫应答、抑制转移、防止肿瘤复发（长期免疫记忆），并加速骨生成。特别是，单细胞测序（scRNA-seq）被用来进一步确定对基于 BG@NbSiR 支架的光疗和检查点阻断联合免疫治疗反应的关键因素，从单细胞转录组的角度揭示了潜在的治疗机制。这项工作不仅展示了基于 BG@NbSiR 支架治疗乳腺癌骨转移的临床应用潜力，而且为优化基于单细胞基因组的多功能组织工程生物材料的设计和构建提供了独特的思路。

参考文献

Chao He, et al. Combinatorial Photothermal 3D‐Printing Scaffold and Checkpoint Blockade Inhibits Growth/Metastasis of Breast Cancer to Bone and Accelerates Osteogenesis. Adv. Funct. Mater., 2020.

说明：本文源自欧易生物微信公众号