GelMA 3D打印水凝膠異步藥物輸送系統(tǒng)用于腦膠質瘤術后防復發(fā)和神經再生

多形性膠質母細胞瘤（Glioblastoma Multiforme,，GBM）是中樞神經系統(tǒng)最常見的腫瘤,、其惡性程度最高,，預后極差,。盡管接受標準的手術切除聯(lián)合放療和化療可顯著增加患者生存,，但經過聯(lián)合治療的患者依然面臨兩個主要問題：一是由于GBM的高度浸潤性造成手術切除后微小的腫瘤組織灶殘留,，因此GBM的復發(fā)率極高,；并且復發(fā)GBM的生長速度更快，侵襲性更強,，對治療的反應性更低,，嚴重威脅患者的生存。二是手術切除對神經組織的損傷亦嚴重影響患者生存質量,。因此,，了解GBM復發(fā)和惡性轉化的潛在分子機制、尋找合適的治療靶點,、開發(fā)理想的給藥系統(tǒng)在預防GBM復發(fā)及改善神經損傷方面具有重大的現實意義,。

鑒于此，廣州醫(yī)科大學姚茂金/暨南大學郭瑞/華南理工大學任嬌艷合作開發(fā)了一種3D異步藥物輸送系統(tǒng)來應對GBM復發(fā)和術后神經功能缺損的雙重挑戰(zhàn),�,；�于小鼠原發(fā)性和復發(fā)性GBM組織之間腫瘤細胞和腫瘤微環(huán)境 (TME) 細胞的轉錄組分析，開發(fā)了一種新的雙靶向方法,，將mTOR通路抑制與小膠質細胞/巨噬細胞復極相結合,。然后，構建了原位可注射的甲基丙烯酸酯明膠 (GelMA),，使其完美貼合腫瘤切除腔并實現雙靶向藥物的直接輸送,，在體內表現出出色的術后GBM抑制效果。同時,，利用神經營養(yǎng)因子浸潤的 3D打�,。ㄊ褂肊FL-BP8601P光固化生物3D打印機） GelMA補片構建了3D異步藥物輸送系統(tǒng)（GelMA/TPNB），使神經營養(yǎng)因子逐漸滲透到下層的水凝膠中以促進神經軸突出芽,。值得注意的是,，該3D異步給藥系統(tǒng)在促進神經功能恢復的同時，不影響抑制腫瘤復發(fā)的療效,�,；�于此，本研究不僅提出了一種新的雙靶向GBM治療策略,，而且開創(chuàng)性地構建了3D異步給藥系統(tǒng)用于GBM的綜合治療,，有望改善GBM患者的不良預后,。該工作近期發(fā)表在發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊（doi/10.1002/adfm.202401383）,。該論文的通訊作者為廣州醫(yī)科大學姚茂金教授,、暨南大學郭瑞研究員和華南理工大學任嬌艷教授。廣州醫(yī)科大學博士研究生胡洋,、暨南大學碩士生周莉明和南方醫(yī)科大學附屬第十醫(yī)院（東莞市人民醫(yī)院）王振寧博士為該論文的共同第一作者,。

圖1 組裝嵌入式 3D 水凝膠系統(tǒng)（GelMA/TPNB）用于異步藥物輸送以抑制惡性膠質瘤術后復發(fā)并促進神經恢復

本研究在小鼠上建立復發(fā)GBM模型，以模擬人膠質瘤復發(fā)過程,。通過對人源的腫瘤細胞的轉錄組數據的DEGs進行GO和KEGG富集分析,，發(fā)現與原發(fā)膠質瘤比較，復發(fā)膠質瘤中與EMT相關的基因表達升高,。接下來,，該研究團隊深入分析了促進膠質瘤的侵襲、遷移能力以及血管生成能力的分子基礎并發(fā)性發(fā)現復發(fā)性 GBM 腫瘤細胞中mTOR信號通路基因表達上調,。接著,，該研究團隊通過細胞實驗結果證實了mTOR抑制劑替西羅莫司（Temsirolimus）能有效的抑制膠質母細胞瘤細胞的增殖。此外,，惡性膠質瘤的另一重要標志是難以抑制的腫瘤免疫微環(huán)境（TME）,。通過對鼠源的腫瘤微環(huán)境細胞的轉錄組數據分析和人源的原發(fā)膠質瘤與復發(fā)膠質瘤的單細胞轉錄組數據分析，該研究團隊發(fā)現與原發(fā)膠質瘤相比,，復發(fā)膠質瘤的腫瘤相關巨噬細胞 (TAMs) 的表型由原來的促炎型（M1）轉變?yōu)榭寡仔停∕2）,。接著，轉錄組數據和數據庫單細胞轉錄組數據分析結果顯示CSF-1/CSF-1R在復發(fā)膠質瘤中高表達,。因此,，該研究團隊選擇PLX5622，一種選擇性CSF-1R抑制劑,，以重塑腫瘤微環(huán)境抑制腫瘤的免疫逃逸和生長,。動物實驗結果表明PLX5622能有效清除小鼠大腦中的小膠質細胞。綜合轉錄組數據和單細胞測序數據的分析結果,，該研究團隊找到了治療復發(fā)膠質瘤潛在的雙重靶點,，即mTOR復合物及CSF-1/CSF-1R信號，可以同時靶向腫瘤細胞和免疫微環(huán)境細胞,。雙重靶點能夠有效的解決單靶向藥物無法充分阻斷腫瘤細胞的生長,、擴散和易產生耐藥性的問題。

圖2 原發(fā)性GBM與復發(fā)性GBM腫瘤細胞中差異表達基因的生物信息學分析

圖3 原發(fā)性GBM與復發(fā)性GBM TME中差異表達基因的生物信息學分析

鑒于常規(guī)的抑制劑給藥方式帶來嚴重的副作用和腦部血腦屏障對藥物遞送的阻礙,，該研究團隊開發(fā)了一種具有生物相容性的甲基丙烯酸酯改性明膠 (GelMA) 可注射水凝膠以完美貼合膠質瘤切除術后的不規(guī)則腔體,。為了避免異物反應，該研究團隊選擇使用低溶脹性的 10% 質量分數的 GelMA 作為腦部藥物遞送載體,，并且具有與天然腦組織相似的機械強度和生物降解性,。該研究團隊結合開發(fā)的新型雙靶向療法制備了載有PLX5622和Temsirolimus的10% GelMA水凝膠（GelMA/TP）,，以對腫瘤細胞及其生長的微環(huán)境產生協(xié)同抑制作用。

圖4 3D異步藥物遞送系統(tǒng)的構建和表征

我們利用裸鼠建立了GBM術后切除模型以評估GelMA/TP水凝膠抑制GBM復發(fā)的功效,。實驗結果表明GelMA/TP顯著提高了裸鼠的總體生存率,，超過 50% 的小鼠在切除后 120 天內仍然存活。H&E染色結果顯示GelMA/TP治療后切除腔內的腫瘤細胞明顯減少,。免疫熒光染色結果顯示GelMA/TP 治療的小鼠的腦組織中觀察到大量 BrdU 陽性細胞和少量的Ki67陽性細胞,，表明了GelMA/TP有效抑制了切除后殘留腫瘤細胞的增殖。此外,，GelMA/TP 組的磷酸化 S6 核糖體蛋白 (RPS6)明顯減少,，mTOR 通路基因的表達水平顯著下降且血管生成減少。此外,，GelMA/TP 組中 IBA1 陽性細胞的存在明顯減少且M2 表型相關的標志物下調,。這些結果表明 GelMA/TP 治療調節(jié)了TME以阻止腫瘤進展并減輕神經膠質瘤復發(fā)。同時,，GelMA/TP水凝膠在植入腦內121天后完全降解且外周器官的H&E染色結果并未呈現異常病變,，表明了該水凝膠系統(tǒng)的生物降解性和生物相容性。

圖5 GelMA/TP顯著抑制了腫瘤復發(fā)并延長了切除后 GBM 小鼠的生存期

圖6 GelMA/TP對于 mTOR 通路和 TME 的調節(jié)在GBM治療中

為了解決 GBM 手術后的神經系統(tǒng)后遺癥,，該研究團隊構建了一個載有BDNF 和 NGF 的 3D 打印 GelMA 補片,。受海綿結構的啟發(fā)，該研究團隊通過立體光刻 3D 打印技術制備了具有大孔結構的 GelMA 水凝膠補片,，并將神經生長因子 (NGF) 和腦源性神經營養(yǎng)因子 (BDNF) 滴在凍干貼片上以制備因子浸潤的海綿載體,。接著，載有因子的海綿被放置在 GelMA 植入材料上,，使神經營養(yǎng)因子緩慢向下擴散,。動物實驗結果表明，這種新型 3D 藥物輸送系統(tǒng)可有效促進軸突發(fā)芽潛力,，同時并不阻礙 GBM 的治療功效,。

圖7 GelMA/TPNB治療后小鼠腦組織中的軸突發(fā)芽和抑制GBM的功效

文章來源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202401383