来源： EFL生物3D打印与生物制造
乳腺癌是全球女性中最常见的癌症，约占新发女性恶性肿瘤的30%，并且是癌症患者的第二大致死原因（11.6%）。乳腺癌的主要治疗方式是手术，包括全乳切除和保乳切除。乳房重建通常用于术后恢复乳房的形状。当患者因供区损伤而拒绝使用自体组织瓣时，硅胶假体成为唯一的重建选择。然而，即使是最新的硅胶假体，主要也是为全乳切除患者设计的。对于接受部分乳房切除（例如切除三分之一乳房）的患者，外科医生通常只能将剩余的组织缝合，这往往导致不理想的外观。迄今为止，市场上尚无适合部分乳房切除的假体。近年来，3D打印作为一种增材制造技术，已被用于为患者定制特定的构造物，在为部分乳房切除患者提供个性化形状假体方面展现出巨大潜力。然而，3D打印乳房假体的应用仍处于早期阶段。同时，对于接受乳房重建的患者而言，局部复发是亟待解决的问题。接受保乳手术的患者，局部肿瘤复发率高达39%；即使接受术后辅助放疗的治疗，复发率也仍达到14%。而且，现有的成像技术也只能检测出超过106个恶性细胞的肿瘤。因此，开发一种能够精准感应肿瘤复发并释放治疗药物，同时为患者提供个性化形态重建的新型假体，具有重要意义。
近日，浙江省人民医院整形外科王吉副研究员团队与浙江大学机械工程学院贺永教授团队在Advanced Science发表了题为3D-Printed Breast Prosthesis that Smartly Senses and Targets Breast Cancer Relapse的原创性研究论文，共同开发了一种将3D打印个性化假体与可特异性响应肿瘤的治疗性水凝胶相结合的创新型假体。该假体突破了传统乳房假体的局限性，不仅能够实现个性化形态重建，还可以特异性响应肿瘤复发，并通过释放治疗性药物抑制肿瘤进展。个性化镂空假体由具备良好打印性、机械稳定性和弹性的PEGDA-F127DA水凝胶制成，可在小鼠皮下组织中长期稳定存在，提供足够的组织支撑功能。
特异性响应肿瘤的治疗性水凝胶（RSL3@LIPO@GEL）由脂质体包裹的铁死亡诱导剂RSL3（RSL3@LIPO）与肿瘤微环境（TME）中活性氧（ROS）响应的水凝胶组成。当肿瘤复发时，水凝胶可通过识别TME中的ROS，精准释放RSL3。RSL3不仅能够诱导肿瘤细胞发生铁死亡，还通过调节免疫微环境，增加肿瘤浸润的CD4+ T细胞、CD8+ T细胞及M1型巨噬细胞数量，减少M2型巨噬细胞，从而增强机体的抗肿瘤免疫应答。
图1 个性化乳房假体的制备及其在乳房重建和复发治疗中的应用
研究团队通过优化PEGDA-F127DA水凝胶的配方和结构设计，制备了与乳房组织和商业化假体性能相似的个性化镂空假体。该假体与ROS响应性水凝胶相结合，能够在实现乳房重建的同时，对肿瘤复发进行监测和药物释放，提供一种集形态重建与肿瘤治疗于一体的综合性解决方案（图1）。
图2 PEGDA-F127DA的生物相容性和生物降解性
个性化镂空假体由PEGDA-F127DA水凝胶经EFL品牌的DLP 生物3D打印机打印制成，具有与商业化假体表面相似的光滑形态。体内外实验均验证了其良好的生物相容性及稳定性（图2）。
图3个性化假体的特性
为最大化假体载治疗性水凝胶的空间且赋予假体良好的支撑性，研究者们设计了具有不同直径内柱的镂空假体。通过力学测试的结果得出假体-A具有最接近商业假体的弹性模量，此外其在经过20个循环压缩后仍具极佳的灵活性和可恢复性。随后，体内实验验证了假体-A在植入小鼠皮下后，对小鼠无毒性作用，且49天后仍未发生明显降解。这些结果表明假体-A不仅具有与商业化假体相似的力学特性，同时具有极佳生物相容性和稳定性（图3）。
图4 ROS响应性水凝胶（TSPBA-PVA）的特性
特异性响应肿瘤的治疗性水凝胶是由脂质体包裹的铁死亡诱导剂（RSL3@LIPO）和响应肿瘤微环境中ROS的水凝胶（TSPBA-PVA）组成。研究者们首先通过一系列实验证实了TSPBA-PVA水凝胶具有多孔结构、载药性、生物安全性及响应ROS的特性，可在ROS环境下消耗ROS并被ROS降解，从而释放出装载的药物，同时其药物释放速率可随着ROS浓度的上升而上升。高ROS水平是肿瘤微环境中一大特征，为验证TSPBA-PVA水凝胶能否被肿瘤微环境的ROS所降解，研究者们分别于健康小鼠皮下和肿瘤模型鼠的肿瘤区域注射水凝胶并进行观察，结果显示在肿瘤组织中TSPBA-PVA水凝胶的降解速率明显快于其在正常组织中的降解速率。综上结果表明可原位注射的TSPBA-PVA水凝胶不仅能特异性响应肿瘤，还能作为一种有效的载体用于装载递送肿瘤治疗性药物至肿瘤部位（图4）。
图5 RSL3@LIPO@GEL的特性
RSL3是一种小分子铁死亡诱导剂，可促进肿瘤细胞发生铁死亡。研究者们首先通过CCK-8测试及铁死亡相关指标测试证实了RSL3可有效诱导4T1肿瘤细胞发生铁死亡。随后，将其包裹在ROS响应性水凝胶中进行体外药物释放实验，结果表明直接装载至水凝胶中的RSL3会在水凝胶响应ROS之前就被快速释放出来。为解决此问题，研究者们使用脂质体先包裹住RSL3（RSL3@LIPO），随后再将其装载在ROS响应性水凝胶中（RSL3@LIPO@GEL）。体外实验证实了RSL3@LIPO具有抑制肿瘤细胞生长的特性，并且在被装载进ROS响应性水凝胶后，可在ROS环境下从水凝胶中释放出来，并发挥其抑制肿瘤细胞生长的特性（图5）。
图6 肿瘤原位形成的RSL3@LIPO@GEL可有效抑制肿瘤的生长和转移
为验证RSL3@LIPO@GEL在乳腺癌模型鼠中的抗肿瘤效果，研究者们在乳腺癌小鼠模型的肿瘤部位进行原位注射生理盐水、GEL、RSL3@LIPO或RSL3@LIPO@GEL，并用生物发光测定和卡尺监测肿瘤生长状况。结果显示RSL3@LIPO@GEL对肿瘤的生长和肺部转移有着显著抑制作用，同时在整个治疗过程中对小鼠体重无明显影响。此外，增殖标志物Ki-67在RSL3@LIPO@GEL组中的表达显著下降。由此表明，RSL3@LIPO@GEL能成功地抑制小鼠乳腺肿瘤的生长和转移，并减少了药物的系统毒性（图6）。
图7 肿瘤原位形成的RSL3@LIPO@GEL可通过引发肿瘤细胞铁死亡和逆转肿瘤中的免疫微环境来抑制肿瘤生长
通过检测肿瘤内铁死亡相关的指标，研究者们发现RSL3@LIPO@GEL能显著抑制肿瘤细胞中GPX4的水平，并增加了其脂质自由基的水平，这表明RSL3@LIPO@GEL在小鼠体内仍能有效诱导肿瘤细胞发生铁死亡。先前研究表明铁死亡可上调钙网蛋白的表达，并增强免疫原性细胞死亡。为验证RSL3@LIPO@GEL在乳腺癌小鼠模型中诱导的铁死亡是否有着相似作用，研究者们对肿瘤组织中浸润的免疫细胞进行检测，结果表明RLS3@LIPO@GEL治疗组的肿瘤中M1巨噬细胞和CD4+T、CD8+T细胞的数量相较于对照组而言显著上升，而M2巨噬细胞和Tregs细胞的数量则显著下降。这些结果表明RLS3@LIPO@GEL不仅能够诱导肿瘤细胞发生铁死亡，还通过调节免疫微环境，增加肿瘤浸润的CD4+ T细胞、CD8+ T细胞及M1型巨噬细胞数量，减少M2型巨噬细胞，从而增强机体的抗肿瘤免疫应答（图7）。
图8 RSL3@LIPO@GEL与个性化乳房假体结合后有效抑制肿瘤生长
研究者们通过将上述镂空假体与RSL3@LIPO@GEL相结合制备出兼具形态个性化乳房重建及治疗肿瘤复发功能的新型假体，并利用小鼠乳腺癌复发模型来验证其可行性。实验结果表明该新型假体对于肿瘤的抑制作用要明显优于单纯假体组，同时其对小鼠体重没有明显的影响（图8）。
总而言之，特异性响应肿瘤的治疗性乳房假体对乳腺癌术后患者的乳房重建及肿瘤复发治疗意义巨大。个性化乳房假体可以为部分或全部乳房切除的患者提供合适的乳房形态。治疗性水凝胶（RSL3@LIPO@GEL）赋予了假体响应肿瘤复发并抑制肿瘤复发的作用。研究者们将这两种策略相结合，实现了形态个性化乳房重建，并在肿瘤复发时感应到病灶，精准释放治疗药物RSL3@LIPO。释放的RSL3@LIPO通过诱导肿瘤铁死亡和促进机体的抗肿瘤免疫反应，共同抑制肿瘤的生长、转移和复发。
浙江省人民医院整形外科王璐和浙江大学医学院附属第二医院肿瘤内科叶辰阳为本文共同第一作者。浙江省人民医院整形外科王吉副研究员和浙江大学机械工程学院贺永教授为本文共同通讯作者。本研究相关发明已申请一系列发明专利，旨在未来把新型乳腺假体转化应用于临床。
致谢：本研究受到浙江省人民医院整形外科吴溯帆教授、孙燚主任，华中科技大学同济医学院附属协和医院整形外科孙家明教授、汪振星教授，浙江大学药学院顾臻教授、王金强教授，浙江大学医学院附属邵逸夫医院肿瘤外科王林波教授、周济春教授，浙江大学机械工程学院孙元博士，及浙江省人民医院整形外科谢明君博士（现浙江大学医学院附属第一医院特聘研究员），浙江大学医学院附属第二医院肿瘤研究所郭成教授的大力支持。本研究获得了国家自然科学基金及浙江省自然科学基金的支持。
文章来源：
http://doi.org/10.1002/advs.202402345
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