用于癌癥術后光熱治療與組織再生雙功能支架的研究進展

范亞茹，李瑞欣綜述，劉浩，嚴穎彬審校

（1.南開大學附屬口腔醫院，天津市口腔醫院口腔頜面頭頸外科，天津市口腔功能重建重點實驗室，天津 300041；2.天津醫科大學口腔臨床學院，天津 300070）

目前，手術仍是癌癥治療的首要方法，而治療失敗的主要原因是單純手術往往不能完全去除病灶，殘留的癌細胞容易復發和轉移[1]。輔助放化療可降低復發率，但具有明顯的不良反應。另外，術后大面積組織缺損也常常難以自行愈合。因此，術后癌癥復發和大面積組織缺損修復面臨著巨大挑戰。

隨著組織工程技術的發展，將三維支架作為光熱試劑的載體引起了人們對癌癥治療和組織再生的極大興趣。光熱試劑與支架整合可獲得一體化光熱復合支架，光熱復合支架接受近紅外激光照射后，能將吸收的光能轉換為熱能，支架溫度升高可消融癌細胞；另外，支架還可模擬細胞外基質，刺激缺損周圍組織細胞的黏附、增殖、遷移和分化，促進創面缺損修復。光熱功能化支架應具備以下特性：（1）高效的光熱轉換效率。（2）良好的生物相容性和最小的炎性反應。（3）結構多孔、可控且規則，利于營養物質運輸以及細胞向支架遷移。（4）組織生長與支架降解速度相匹配。（5）與組織適配的機械性能，滿足各種臨床需要。本文綜述了常見的光熱試劑支架及其在不同類型癌癥光熱治療中的應用。

1 骨肉瘤

1.1 生物陶瓷支架 生物陶瓷支架（生物活性玻璃、磷酸鈣陶瓷和硅酸鈣陶瓷）具有生物相容性、骨導電性、骨誘導性，并與天然骨無機成分相似，在骨組織再生方面受到廣泛關注。此外，生物活性玻璃陶瓷（bioactive glass-ceramic，BGC）溶解釋放的Ca2+、Si4+、P5+離子可促進骨再生；還可將Cu、Mg、Zn、Fe和Mn等多種元素加入到生物陶瓷中，通過持續釋放離子來增強成骨和血管生成[2]。

Liu等[3]將溶膠-凝膠法與三維打印（three-dimensional printing，3D printing）技術結合，制備了摻雜Cu、Fe、Mn和Co元素的BGC支架。其中，5Cu-BGC、5Fe-BGC和5Mn-BGC支架產生的高溫可在體內外有效殺死骨肉瘤細胞；5Fe-BGC和5Mn-BGC支架還可促進兔骨髓間充質干細胞（BMSCs）的黏附，刺激成骨細胞的成骨分化。Dang等[4]利用溶劑熱反應結合3D打印，使CuFeSe2納米晶體在生物活性玻璃支架的表面原位生長，賦予支架高效的光熱轉換效率。另外，支架釋放的Ca、Si、P、Fe、Cu和Se離子發揮協同作用促進兔BMSCs成骨。研究者設計了鈣-磷/聚多巴胺納米層修飾生物活性玻璃支架[5]、高強度金屬鐵-生物陶瓷支架[6]和氧化石墨烯功能化β-磷酸三鈣復合支架[7]，一方面支架發揮光熱或光熱聯合光動力效應，誘導骨肉瘤細胞死亡。另一方面，支架刺激血管形成和BMSCs成骨分化，上調骨形成相關基因，誘導兔股骨缺損再生。還有研究采用直接浸泡法或水熱法結合3D打印將光熱試劑納米片整合到生物活性玻璃支架表面，使支架表現出優異的光熱性能，同時支持兔BMSCs的黏附和增殖[8]。

1.2 有機生物支架 相比于無機生物支架，有機材料具有更優異的生物相容性和生物降解性。天然聚合物（殼聚糖、膠原蛋白、海藻酸鹽、透明質酸和明膠）已廣泛應用于骨組織再生[9]。合成聚合物（聚乳酸-羥基乙酸、聚乳酸、聚己內酯和聚乙烯醇）作為骨支架也被進一步評估[10]。

Zhao等[11]將四氧化三鐵納米粒子和磷酸釓納米棒加入生物活性殼聚糖，形成復合支架。Lu等[12]用鍶鐵氧體磁性納米顆粒修飾生物玻璃/殼聚糖支架。兩種納米粒子均賦予支架高效光熱轉換效率，高溫誘導骨肉瘤細胞凋亡。另外，前者支架釋放的釓離子不僅誘導巨噬細胞M2極化促進血管生成，還可激活骨形態發生蛋白2（BMP-2）/Smad/Runt相關轉錄因子2（RunX2）通路；后者磁性復合支架產生的磁場也可激活此通路，促進細胞增殖和顱骨重建。目前報道的復合鎂的多孔聚乳酸-羥基乙酸共聚物支架[13]、SrCuSi4O10納米片結合聚己內酯支架[14]和聚多巴胺納米粒子修飾絲素蛋白支架[15]，對人骨肉瘤細胞具有顯著的抑制作用，而且支架中釋放的活性離子還可刺激骨組織血管重建。

1.3 水凝膠支架 水凝膠是三維強親水性聚合物網絡，可以吸收大量的水，模仿天然細胞外基質，在保證足夠的營養和氣體交換的同時，為細胞提供臨時的機械支持，允許包裹在水凝膠中的骨細胞生長和分泌新的細胞外基質來恢復骨組織缺損[16]；水凝膠還可裝載各種促進骨組織形成的生物活性分子。基于以上優點，水凝膠可作為骨缺損再生研究的候選材料。值得注意的是，水凝膠存在質地脆，機械性能差等缺點，用于骨組織缺損具有一定的挑戰性。

為了提高其強度，多數研究在水凝膠中添加羥基磷灰石。Luo等[17]將聚多巴胺和順鉑結合羥基磷灰石得到雜化顆粒，然后將其加入氧化海藻酸鈉與殼聚糖體系中，構建了可注射的多功能水凝膠支架。近紅外光照下水凝膠局部升溫，可誘導骨肉瘤細胞凋亡。水凝膠還可促進兔BMSCs的黏附和增殖，進一步誘導體內骨缺損再生。Li等[18]采用原位自組裝法和高溫還原反應制備了還原氧化石墨烯薄片復合納米羥基磷灰石水凝膠支架，支架產生的光熱效應可殺死骨肉瘤細胞；另外，支架為兔BMSCs的增殖和分化提供支撐，加速大面積顱骨缺損的修復。

2 黑色素瘤

盡管惡性黑色素瘤不是皮膚癌最常見的類型，但它具有較強的侵襲性和致命性。對于黑色素瘤和術后皮膚修復雖各有成熟的治療方案，但腫瘤與創口的協同治療仍是臨床面臨的主要挑戰；特別是局部實體瘤的術后治療，不僅存在腫瘤復發的風險，而且慢性炎癥微環境影響大面積組織缺損的愈合[19]。

2.1 水凝膠支架 水凝膠支架在骨組織修復中已有介紹，除此之外，水凝膠作為一種很有前途的創面敷料，還可以填補不規則的組織缺損；具有黏附性的水凝膠與缺損處組織附著和黏合，可作為密封劑保護創口免受環境中細菌感染，促使創口正常愈合[20]。

Zhou等[21]將聚多巴胺功能化的生物活性玻璃納米材料與水凝膠結合，開發了一種用于皮膚黑色素瘤治療和創口修復的多功能水凝膠支架。復合支架的光熱效應不僅可抑制腫瘤體內外生長，還可刺激膠原沉積和血管生成，顯著促進皮膚缺損的快速修復與再生。Ma等[22]通過3D打印制備了硅酸鈣納米線、海藻酸鈉和低聚原花青素組成的水凝膠支架。Wu等[23]制備了錳摻雜硅酸鈣納米線海藻酸鹽水凝膠；水凝膠支架在體內外具有良好的光熱治療效果。前者水凝膠中的低聚原花青素和硅離子的釋放，協同促進血管生成和創面再生。后者水凝膠釋放的錳和硅元素還可協同促進血管內皮細胞的遷移和增殖，加速皮膚創面愈合。Wang等[24]將二氧化鈦納米粒加入殼聚糖中，制備可注射熱敏水凝膠，此水凝膠不僅同時具有光熱和光動力效應，還可支持正常皮膚細胞的增殖和遷移，促進皮膚缺損修復。

2.2 聚乳酸/聚己內酯支架 聚乳酸和聚己內酯已被美國食品和藥物監督管理局批準用于脊柱軟硬組織修復[25]。緩慢降解的聚己內酯和快速降解的聚乳酸混合，獲得力學性能優異和形狀記憶特性的生物相容性材料，在組織修復方面廣受關注。含銅的硫族化合物已被證明具有強烈的近紅外吸收能力，是優異的光熱轉換劑。此外，Cu2+不僅可通過加速血管內皮生長因子的表達來促進血管生成，而且還通過上調胞質中Atox1的表達來促進細胞外基質的成熟，最終加速組織愈合[26]。因此，含銅基光熱材料可能成為一種適合腫瘤消融和皮膚組織重建的選擇。

Wang等[27]通過靜電紡絲制備了硫化銅功能化的聚乳酸/聚己內酯雙功能支架。該支架不僅通過光熱消融造成皮膚癌細胞高死亡率，還促進正常皮膚細胞的增殖，顯著加速體內血管生成和全層皮膚缺損的愈合。Yu等[28]將CaCuSi4O10納米粒涂覆在靜電紡絲聚乳酸/聚己內酯纖維表面，通過高溫效應可快速消融體外腫瘤細胞；另外，支架中釋放的生物活性Cu2+和SiO44-，可刺激體內血管生成和再上皮化，促進慢性創口愈合。類似地，Yu等[29]利用水熱法合成硅酸銅空心微球，并通過靜電紡絲技術將其添加到聚乳酸/聚己內酯基質中形成光熱功能化支架，用于光熱消融腫瘤并修復皮膚創面。Xue等[30]將黑磷納米片嵌入明膠-聚己內酯納米纖維支架中，可協同光熱治療和熱觸發釋放阿霉素化療選擇性地殺死黑色素瘤細胞，另外，黑磷納米片降解產生的磷酸鹽/膦酸鹽，可激活細胞外信號調節激酶（ERK）1/2和磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B（PI3K/Akt）通路，促進皮膚組織的再生。

3 乳腺癌

目前，手術治療仍是乳腺癌的標準臨床治療方法，特別是微創性保乳治療越來越受到重視[31]。但術后存在局部復發率高，部分脂肪組織丟失等問題。雖然一些方法已經被應用于重建乳房，但形成足夠體積的成熟脂肪組織仍然是一個主要問題。因此，研究者開發了用于乳腺癌原位治療和脂肪組織重建的近紅外光響應性光熱支架。

3.1 明膠支架 明膠中含有豐富的Arg-Gly-Asp序列，可促進細胞黏附，有利于促進創口愈合[32]。明膠支架還具有與軟組織相似的機械特性，可滿足脂肪組織重建需要。有研究通過冰模板法將黑磷納米片或金納米棒嵌入明膠中制備了多孔復合支架；支架在體內外對乳腺癌細胞均表現出良好的光熱消融能力。此外，復合支架還可促進人BMSCs的增殖和成脂分化，上調脂肪生成相關基因的表達，促進脂肪組織再生[33]。

3.2 海藻酸鹽支架 海藻酸鹽與明膠相比熔點較高，在光熱治療高溫條件下，支架不易發生形變。另外，海藻酸鹽具有強大的親水性和優良的生物相容性，特別是海藻酸鹽還能激活巨噬細胞，刺激單核細胞產生白細胞介素-6和腫瘤壞死因子α，促進創口慢性愈合，使其廣泛應用于軟組織工程和脂肪組織再生研究[34]。

Liu等[35]將聚多巴胺涂在三維明膠/聚已內酯支架上，形成核/殼支架結構。核心凝膠在近紅外激光觸發的熱誘導下內部發生轉變，釋放阿霉素。光熱治療協同化療在體內外可有效抑制乳腺癌細胞。相互連接的核/殼支架為體外細胞增殖和體內血管生成提供三維空間，進一步促進創口愈合。Luo等[36]采用3D打印制備了聚多巴胺修飾的海藻酸鹽的雙功能水凝膠支架。支架良好的光熱效應有效地預防了乳腺癌的局部復發。此外，復合支架具有良好的柔韌性和與正常乳腺組織相似的彈性模量，可促進正常人乳腺上皮細胞的黏附和增殖，具有乳房重建的潛力。

4 總結與展望

光熱功能化支架除了在上述癌癥治療中報道較多外，在膠質瘤和口腔鱗狀細胞癌中也相關研究。總的來說，光熱功能化支架在癌癥治療中的研究蓬勃發展，盡管近幾年取得了部分成就，但應當強調的是，仍有許多挑戰和關鍵問題有待繼續研究和解決：（1）評價腫瘤治療與組織修復效果通常是在兩種動物模型分開研究，不能模仿在疾病治療中的實際情況。因此，未來有待開發一種合適的動物模型，能夠同時進行腫瘤治療和缺損修復的研究，對推進復合支架的臨床應用具有重要意義。（2）目前采用的近紅外激光大多數為近紅外一區（650～1 000 nm），此范圍的光照深度有限，而光熱治療對接近皮膚表層的和內鏡易檢查到的器官或組織表面腫瘤具有較好的應用前景。因此，對于深部腫瘤治療，應探索在組織中衰減更少、穿透力更強的近紅外二區（1 000～1 400 nm）激光。（3）盡管采用生物相容性材料，復合支架的體內降解行為和代謝途徑仍需系統研究。（4）不可否認的是，光熱誘導的高溫殺死癌細胞的同時，不可避免地會影響正常細胞的生存活力。應進一步發展協同治療策略，如光熱治療聯合化療、光動力治療、免疫治療、饑餓療法等，在聯合治療的基礎上降低高溫刺激，達到理想的治療效果。將雙功能生物支架用于癌癥治療是一個理想的方法，同時也是一個巨大的挑戰，相信隨著研究的深入，光熱功能化支架終將會為臨床所用，這將對癌癥治療產生革命性的影響。