《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：The role of structural organization of a thermosensitive micellar hydrogel for bone cancer therapy
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骨癌治疗新型多模式疗法研究：PL-407水凝胶载BG5Ho生物活性玻璃、 zoledronic acid（ZA）及超顺磁铁氧化物纳米颗粒（SPIONs）的物理化学特性与生物效应分析。
阿加莎·玛丽亚·佩洛西内（Agatha Maria Pelosine）| 安德森·费雷拉·塞普尔韦达（Anderson Ferreira Sepulveda）| 罗杰·博尔赫斯（Roger Borges）| 卢卡斯·科雷亚·特鲁埃尔·德杰索斯（Luccas Correa Teruel de Jesus）| 露娜·帕瓦内利·达席尔瓦（Luna Pavanelli da Silva）| 乔埃尔·马查多·朱尼奥尔（Joel Machado Junior）| 罗德里戈·费尔南德斯（Rodrigo Fernandes）| 罗桑杰拉·伊特里（Rosangela Itri）| 吉赛尔·岑克·茹斯托（Giselle Zenker Justo）| 达尼埃莱·里贝罗·德阿劳霍（Daniele Ribeiro de Araujo）| 朱莉安娜·马基（Juliana Marchi）
巴西圣保罗州桑托安德烈市的ABC联邦大学（UFABC）自然与人类科学中心，邮编09280-560
摘要
转移性骨癌的治疗可能会从多功能平台上受益，这些平台整合了新兴的肿瘤学策略，如局部近距离放射治疗和磁热疗法。将局部近距离放射治疗和磁热疗法结合到针对骨骼的可注射系统中的多模式策略在文献中仍研究不足。本研究调查了基于PL-407水凝胶的非活化可注射制剂的物理化学和结构特性，该水凝胶含有掺铒的生物活性玻璃（BG5Ho）、唑来膦酸（ZA）和超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）。本研究的目的是在中子活化策略之前阐明制剂组分之间的内在相互作用。热实验证实了所开发制剂的热敏感性：在低温下为液态，在生理温度下为硬凝胶，确保了其可注射性。流变分析显示SPIONs在结构组织中起关键作用：单独的ZA或SPIONs不会影响粘度，但它们的共同存在显著增强了凝胶的强度和刚性，使得水凝胶比不含这些组分的制剂更加有序和机械稳定。SAXS分析阐明了结构机制：SPIONs压缩了聚氧乙烯醇的胶束结构，减少了胶束体积，同时防止了纳米颗粒的聚集。这些特性为ZA在聚合物基质中的结合和保留创造了优化的微环境。生物学评估表明，所有制剂均降低了MG63骨肉瘤细胞的活力，而含有SPIONs的制剂提高了前成骨细胞MC3T3-E1的活力。总体结果为SPIONs在聚氧乙烯醇-生物活性玻璃制剂中作为结构调节剂的作用提供了新的见解，明确了非活化状态下控制结构稳定性和生物反应的内在超分子组织。
引言
骨组织为身体提供结构支持功能，这是一个涉及细胞与细胞外基质（ECM）之间复杂相互作用的动态过程[1]，[2]。ECM是一种由胶原纤维和羟基磷灰石矿物相组成的动态结构，它不仅支撑骨骼结构，还促进多种细胞过程，包括粘附、分化、迁移、骨骼生长、重塑和分子相互作用[3]，[4]，[5]。
在转移性骨癌中，ECM相比健康骨组织显著减弱。恶性细胞的进展通常会导致胶原纤维紊乱，损害骨骼维持稳态的能力[6]，[7]，[8]。传统的治疗策略，如手术、化疗和放疗，主要侧重于缓解疼痛和阻止骨吸收[6]。然而，通过结合一些辅助疗法，特别是术后治疗，可以改善治疗效果。
双膦酸盐是这一领域中成熟的药物策略，通过减缓骨吸收来治疗骨质流失和预防骨折。当与化疗联合使用时，双膦酸盐可以显著改善治疗结果并降低骨转移的风险[9]，[10]。在双膦酸盐中，唑来膦酸（ZA）因通过甲羟戊酸途径抑制破骨细胞活性而被广泛用于治疗骨转移[11]。通过减少肿瘤引起的骨破坏并维持骨稳态，ZA已成为新兴药物疗法的基础[12]。
鉴于传统骨癌治疗的局限性，新兴的治疗方式，如近距离放射治疗和磁热疗法，作为辅助治疗具有很大的潜力。近距离放射治疗是一种内部放射治疗方法，其中放射性物质（通常是种子或胶囊）直接放置在肿瘤内部或附近。与传统放疗程序相比，这种方法在放射剂量传递的精确性和向肿瘤部位传递更高剂量方面具有某些临床优势，同时减少了对周围组织的副作用。
目前，近距离放射治疗被用于治疗多种恶性肿瘤，包括头颈部癌、乳腺癌、宫颈癌和前列腺癌[13]，[14]，[15]。选择理想的放射性同位素进行近距离放射治疗需要仔细考虑多个因素：放射剂量特性、平均能量、总剂量以及同位素的半衰期。理想情况下，所选放射性同位素应发射β粒子，具有短半衰期和高活性，并适用于各种大小的肿瘤[13]。在这方面，生物活性玻璃因其固有的生物相容性而成为放射性元素的特别有前景的载体。目前有多种含有稀土元素的生物活性玻璃组合正在研究中，用于近距离放射治疗应用[16]，[17]，[18]，[19]。在这项工作中，我们使用了含铒的生物活性玻璃，将高生物活性与合适的放射特性结合起来，从而实现治疗效果和肿瘤靶向。
除了近距离放射治疗之外，磁热疗法也被认为是一种有前景的骨癌辅助治疗方式。通过精确控制温度在40°C至43°C范围内，这种方法通过多种细胞损伤机制选择性地诱导癌细胞死亡，包括蛋白质表达和DNA的改变，同时保持周围健康组织的活力[20]，[21]，[22]。磁热疗法的治疗效果取决于所使用的纳米颗粒的物理和化学性质。多种成分可用于此目的，其中超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）被研究得最为广泛，包括磁铁矿（Fe?O?）和赤铁矿（α-Fe?O?）相。
SPIONs已在多种癌细胞和动物模型中进行了研究，包括胶质母细胞瘤、前列腺癌和转移性骨癌，显示出显著的治疗潜力[23]，[24]，[25]，[26]。然而，将这些系统转化为临床应用的主要挑战在于开发能够在肿瘤微环境中保留纳米颗粒并提供可控释放的稳健纳米载体系统。特别针对骨癌治疗，含有SPIONs的生物活性玻璃已成功用于将热疗与骨再生过程结合[27]。此外，赤铁矿纳米晶体已成功添加到58S生物活性玻璃基质中，旨在实现优化超顺磁性能和在交变磁场下的加热效率[28]。在我们之前的工作中，使用溶胶-凝胶方法将SPIONs分散在生物活性玻璃基质中，从而优化了用于热疗的磁性和量热性能，同时保持了与原始玻璃相当的生物活性[29]。
近距离放射治疗和磁热疗法等新兴疗法的结合提供了一个引人注目的机会：创建一个综合系统，利用两种疗法的互补优势，同时保持骨再生潜力。然而，这种方法的成功在很大程度上取决于对各个组分（ZA、掺铒的生物活性玻璃（BG5Ho）和SPIONs）在超分子水平上的组织和相互作用方式的深入理解。在之前的工作中，我们将BG5Ho和ZA结合在Poloxamer 407（PL-407）水凝胶中，制备了一种可用于骨癌治疗的注射制剂。我们证明了生物活性玻璃与药物之间的超分子相互作用对于促进受控药物释放至关重要，同时优化了制剂中的ZA含量，以提高对MG-63人骨肉瘤细胞的细胞毒性，同时保持MC3T3成骨细胞的活力[30]。这项工作评估了由PL-407水凝胶基质、含铒玻璃（BG5Ho）和SPIONs组成的综合系统，重点研究了SPION对我们之前工作中研究的制剂的影响。然而，在这里需要提醒一点：在中子活化进行近距离放射治疗或施加外部磁场进行磁热疗法之前，必须了解组分在聚合物基质内的组织和稳定性，同时保持肿瘤周围健康组织的再生性能。因此，这项工作旨在通过对其物理和化学性质以及生物性能的全面分析，提供关于这些系统超分子排列的见解，从而为基于对开发制剂的结构和生物相容性关系的讨论做出贡献。
材料
系统使用以下Sigma Aldrich（美国）试剂制备：四乙基正硅酸盐（TEOS，Si(OC?H?)?，98%）；三乙基磷酸盐（TEP，C?H?O?PO，99.1%）；硝酸钙四水合物（Ca(NO?)?·4H?O，99%）；硝酸铒（III）五水合物（Ho(NO?)?·5H?O，99%）；HEPES（99%）；Poloxamer 407（99%）。其他化合物包括氧化铁纳米颗粒（Fe?O?，99.9%，20纳米大小，SkySpring Nanomaterials，美国）、唑来膦酸（ZA）（>98%，Carbosynth，英国）和低葡萄糖DMEM
可注射性质的热表征和评估
进行了差示扫描量热法（DSC）实验来研究我们制剂的可注射行为。分析采用了加热-冷却-加热循环。两个加热循环中的曲线行为非常相似（图S2）。两个循环中都保持了胶束化状态，表明制剂具有热可逆性。冷却曲线中突出的放热转变指的是胶束向单体的转变
结论
含有掺铒生物活性玻璃（BG5Ho）、唑来膦酸（ZA）和超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）的聚氧乙烯醇基制剂展示了用于晚期骨癌治疗的良好物理和化学性质。这些系统表现出水凝胶的热响应性，在室温（25°C）下为液态，在体温（37°C）下转变为硬凝胶状态，从而实现了可注射给药和原位凝胶形成。
CRediT作者贡献声明
罗德里戈·费尔南德斯（Rodrigo Fernandes）：研究、数据分析。乔埃尔·马查多·朱尼奥尔（Joel Machado Junior）：可视化、验证、方法学。罗桑杰拉·伊特里（Rosangela Itri）：撰写-审阅与编辑、可视化、验证、方法学。达尼埃莱·里贝罗·德阿劳霍（Daniele Ribeiro de Araujo）：撰写-审阅与编辑、可视化、验证、方法学。吉赛尔·岑克·茹斯托（Giselle Zenker Justo）：撰写-审阅与编辑、可视化、验证、方法学、概念化。阿加莎·玛丽亚·佩洛西内（Agatha Maria Pelosine）：撰写-初稿、方法学、研究、数据分析
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备手稿期间，作者使用了Grammarly AI来提升语言质量。使用该工具后，作者彻底审阅并编辑了内容，对其准确性负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢UFABC、CEM-UFABC、UNIFESP-INFAR和IF-USP提供的宝贵实验支持。本工作得到了FAPESP（2020/00329-6，JM）的支持。AFS获得了FAPESP奖学金（2023/13068-4）的支持。RI获得了CNPq生产力奖学金（311831/2021-4）。CNPq（311280/2023-4，JM，308819/2022-5，和147056/2024-1）和CAPES（财务代码001，AMP）的资助也值得感谢。
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