Anwendung von Hydroxyapatit-Nanopartikeln (n-HA) in tumor-assoziierten Knochen segmentale defekt

Anwendung von Hydroxyapatit-Nanopartikeln (n-HA) in tumor-assoziierten Knochen segmentale defekt

Materialwissenschaftler weit integrieren Hydroxylapatit (HA) für Knochen-Reparatur in bone tissue engineering (HDO) – durch seine überlegene Biokompatibilität als ein natürlicher Bestandteil der menschlichen Knochen und Zähne. In einem jüngsten Bericht auf die Wissenschaft Fortschritte, einer research-team hervorgehoben, das proliferation-unterdrückende Wirkung von HA-Nanopartikel (n-HA) gegen eine Vielzahl von Krebszellen durch die Kombination der translatorischen Wert von n-HA wie ein Knochen regenerierende material und ein anti-tumor-agent. In der Studie, Kun Zhang und ein interdisziplinäres team in den Abteilungen der Orthopädischen Chirurgie, der Dermatologie, der Biomedizinischen Materialien Metall und der National Engineering Research Center für Biomaterialien in China zeigten die Hemmung von Tumorwachstum, Metastasierung Prävention und die Verbesserung der überlebensrate in tumor-tragenden Kaninchen, behandelt mit n-HA.

Sie bestätigt die Aktivierung der Mitochondrien-abhängigen Apoptose-Signalweg in vivo und beobachteten eine stimulierte Immunantwort auf n-HA-induzierte antitumor-Wirkung. Das research-team dann beladen einer porösen Titan-Gerüst mit n-HA-und implantiert Sie in eine kritische Größe segmentalen Knochendefekt im Kaninchen-tumor-Modell für translationale Studien. Basierend auf den Ergebnissen, die Sie überprüft die Fähigkeit der n-HA-releasing-Gerüst zu unterdrücken Tumorwachstum und osteolytische Läsion, während die Förderung der Knochenregeneration. Die Forschungsergebnisse stellen eine starke rationale zur Verwendung von n-HA zu regenerieren tumor-assoziierten Knochen segmentale defekte in vivo.

In den Vereinigten Staaten werden etwa 2.500 neue Fälle von primären Knochen-Krebs diagnostiziert werden jedes Jahr mit etwa der Hälfte der Patienten mit Knochenmetastasen. Während der standard der klinischen Behandlung von Knochenkrebs, ist der chirurgische Ansatz beinhaltet die Resektion und Rekonstruktion des betroffenen Knochens, gefolgt von einer adjuvanten Strahlen-oder Chemotherapie. Obwohl tragenden künstlichen Implantaten sind derzeit angenommen, in der klinischen Praxis, schlechte Implantat-Knochen, die osseointegration und die Schwierigkeiten bei der Bildung neuen Knochens in einem tumor Umfeld weiterhin eine große Herausforderung für orthopädische Chirurgen. Unvollständige chirurgische Resektion des betroffenen Gewebes kann auch die Gefahr der Ausbreitung von Tumorzellen in der Folge der 8-Prozent-Rezidiv oder Metastasen. Als Ergebnis, die Forscher dringend Zielen auf die Entwicklung eines Implantats, das verbindet antitumor-Aktivität und die Neubildung von Knochen-Funktionen.

Seit den 1970er Jahren, Klinikern angewendet haben, HA-basierte Biomaterialien klinisch während orthopädische und Dentale Reparatur. Materialien haben auch Wissenschaftler entwickelten Oberflächen modifiziert mit HA als Metall prothetischen Implantaten für eine verbesserte integration des Knochens. Bemerkenswerte Studien haben gezeigt, dass die Kapazität von n-HA zu hemmen Krebs Zelle proliferation und induzieren Apoptose, einschließlich Osteosarkom-Zellen, Brustkrebszellen, colon-Krebs-Zellen und Leber-Krebs-Zellen, während die normalen Zellen verschonen. Vorhergehende Studien einen Einblick in den Mechanismus der n-HA antitumor-Aktivität basierend auf in-vitro-Experimenten, obwohl noch viel zu bekannt ist der zugrunde liegende Mechanismus in vivo.

Charakterisierung von Partikeln und Gerüst. (A) XRD (X-ray diffraction) Muster der n-HA, m-HA-und n-TiO2-Partikel. Die standard-Spektren der HA -, Anatas-TiO2, und Rutil TiO2 sind unten angegeben. ein.u., willkürlichen Einheiten. (B) Repräsentative TEM-Bild von n-HA -, REM-Bild der μ-HA, und TEM-Bild von n-TiO2. (C) SEM-Aufnahmen von 3D-gedruckten porösen Titan-Gerüst ausgesetzt Säure-Basen-Behandlung, beschichtet mit n-HA-und Oberflächen – /cross-sectional Ausrichtung der n-HA mit EDS Bestätigung. Die gepunktete gelbe Linie zeigt die Schnittstelle zwischen n-HA-Beschichtung und Gerüst. Der gelbe Pfeil markiert die mittlere Dicke der n-HA-Schicht. Ca/P zeigt atomaren molare Verhältnis der ausgewählten region. (D) Gewicht ändern von Partikeln befreit von n-HA/Gerüste mitten in tris-HCl-Lösung für 7 Tage. Fehlerbalken repräsentieren SD. n = 3 Wiederholungen. (E) Repräsentative TEM-Bild der freigesetzten n-HA-Partikeln. (F) die XRD-Muster der freigesetzten n-HA-Partikeln. Das Sternchen kennzeichnet die charakteristischen peaks der HA. Kredit: die Wissenschaft Fortschritte, doi: 10.1126/sciadv.aax6946

Testen Sie die neue experimentelle Strategie in der lab

In der vorliegenden Arbeit, Zhang et al. präsentiert eine nie dagewesene Strategie zu kombinieren, Knochen-tumor-Therapie mit einer 3-D gedruckte Titan-Gerüst modifiziert mit n-HA für die Anti-Tumor-Funktion. Sie führten in-vitro-co-Kultur-Experimente erste, zu zeigen, die Fähigkeit der synthetischen, rod-shaped n-HA zur Induktion der Apoptose in den malignen VX2-Tumorzellen. Danach werden die Forschungs-team umgesetzt intramuskuläre tumor-Modell in der immunkompetenten Kaninchen zu zeigen, die Unterdrückung der Tumorentwicklung und Metastasierung reduziert.

Forscher zunächst beobachtet und berichtet, die anti-tumor-Wirkung von n-HA im Jahr 1993, als Sie glücklicherweise gefunden, eine Kontrollgruppe reinen n-HA zu hemmen Ca-9-Krebs-Zelllinien validiert im Jahr 2003 mit Hilfe der funktionellen in-vitro-Studien. In der vorliegenden Arbeit, Zhang et al. verwendete µ-HA-und n-TiO2 – Partikel, die als Kontrollgruppen neben n-HA, um zu bestimmen, wenn die antitumor-Wirkung entstand aus dem material, der Zusammensetzung oder die Partikelgröße. Für diese, Sie verwendet X-ray diffraction analysis (XRD) und bestätigt ähnlichkeiten der HA-phase der Zusammensetzung zwischen n-HA und µ-HA. Dann mit Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (TEM) – Bilder, Sie zeigten den Stab Form von n-HA und die verwendete raster-Elektronen-Mikroskopie (SEM) Aufnahmen zu beobachten µ-HA.

Sie dann entwickelt, porösen Titan-Gerüste unter Verwendung der selektiven laser-Sintern zu befriedigen, sind die tragenden Anforderungen für Kaninchen kortikalen Knochen Ersatz. Zhang et al. verbessert die Bioaktivität des gedruckten scaffolds mit Säure-alkali-Behandlung und erzielte n-HA-Beschichtung mit einer kombinierten Methode von Gülle Schäumen und Imprägnierung. Die Wissenschaftler geprägt (getestet) die Gerüste, um zu bestimmen, die Oberflächenchemie und die Kinetik der n-HA-Version in einer sauren Umgebung.

Die Prüfung der Biokompatibilität und Krebs-Zell-Apoptose mit verschiedenen Teilchen.

Zum testen in vitro antitumor-Aktivität und Toxizität der Partikel, wählten die Forscher eine Vielzahl von n-HA-Konzentrationen nach co-Kultur mit VX2-Tumorzellen oder normalen L929 Fibroblasten-Zellen. Bei längeren Experimenten n-HA reduzierten die Lebensfähigkeit von Tumorzellen, obwohl vergleichsweise, µ-HA nicht reduzieren die Lebensfähigkeit des entweder-Zell-Typ, während die n-TiO2 sank die Lebensfähigkeit des VX2 und gehemmt L929-Zellwachstum mit längerer Zeit.

Wenn Zhang et al. getestet, die in vivo Anti-Tumor-Fähigkeit von n-HA, Sie verwendet eine intramuskuläre VX2-tumor-Modell auf beiden Seiten (rechts und Links) des Kaninchens ausgeübt, und n-HA, µ-HA-und n-TiO2 auf jeder Seite. Nach Woche drei, Sie benutzten Magnet-Resonanz-imaging (MRI) der einzelnen Tiere zeigen reduzierte HA-behandelten, tumor-Größe in der rechten Seite, im Vergleich zu der Kontrolle in der linken Seite. Vergleichsweise weder µ-HA noch n-TiO2 zeigte tumor growth suppression in vivo während der gleichen Periode.

Die Forscher ernteten die tumor-Proben in Woche 4, um zu bestätigen, die antitumor-Fähigkeit von n-HA mit histologischen Färbung an der Oberfläche des Tumors und Muskelgewebes. Sie stellten fest, diverse Immunzellen rund um die n-HA-Partikel, wie immun-Vielfalt wurde nicht beobachtet umliegenden µ-HA-und n-TiO2 – beschichteten scaffolds. Mit TEM Beobachtungen von Zhang et al. zeigten die beiden n-HA-und n-TiO2 verinnerlicht innerhalb der Tumorzellen. Die histologischen Befunde in Woche 4 zeigte die Prävention der Metastasierung in die Lunge mit n-HA-Tier-Gruppen, obwohl Sie ähnliche Beobachtungen wurden nicht aufgenommen mit dem µ-HA oder n-TiO2. Metastasen Ausscheidung bei Kaninchen behandelt mit n-HA führte zu einer längeren überlebensrate und niedrigere raten von tumor-positiven Zellen im Vergleich zu denen behandelt mit anderen Materialien.

Die Untersuchung der anti-tumor-Mechanismen der n-HA

Nach mehreren Wochen, die Wissenschaftler analysierten das mitochondriale Apoptose-Signalweg-Aktivierung des tumor-Gewebes von n-HA mittels Immunhistochemie (IHC), Stickstoffmonoxid-synthase Experimente und protein-expressions-Studien unter Verwendung von Western-blotting. Sie beobachteten reduzierte protein-expression von Ki-67 und eine erhöhte expression TUNEL (terminal deoxynucleotidyl transferase) für reduzierte die Zellproliferation und induzierte Apoptose. Sie bemerkten ebenfalls erhöhte expression des p53-proteins im n-HA-Gruppe in der Antwort auf zellulären stress zu unterdrücken onkogenese. Und beobachteten eine signifikante Zunahme für die n-HA-induzierte Bcl-2-associated X protein (BAX) – ein proapoptotic protein bei gleichzeitiger Senkung der Bcl-2 anti-apoptotische protein in der mitochondrialen Apoptose-Signalweg. Zusammen, die Proteine reguliert die Freisetzung von proapoptotic Faktors Cytochrom C (Kest-C) aus den Mitochondrien in das zytosol für die Zell-Apoptose.

Zhang et al. weitere untersuchte mögliche antitumor-Mechanismen der n-HA durch die Durchführung einer mRNA-Expressionsprofil microarray bestätigt und die expression verschiedener Gene mittels qRTPCR (quantitative reverse transcription polymerase chain reaction). Sie fanden, dass n-HA signifikant hochreguliert die expression von tumor-Apoptose-Genen; was die Aktivierung der extrinsischen todesrezeptor apoptoseweg via n-HA. Die Wissenschaftler identifizierten mehrere mechanistische Wege mit Datenbanken wie die Kyoto Enzyklopädie von Genen und Genomen (KEGG) und die Gen-Ontologie (GO). Die Ergebnisse zeigten, dass der Einfluss von n-HA-Störungen auf mehrere Aspekte der tumor-mikroumgebung zu unterdrücken, die tumor-Förderung-Funktionen.

Antitumor-und segmental bone defect healing Fähigkeit von n-HA–geladenen Titan-Gerüst. (A) Diagramm-Darstellung der Präparation der tumor-Zell-suspension und seeding in Leska. (B) Implantation von tumor-cell–Seeding Gerüst bei segmentalen Knochen-defekt des Kaninchen-Femurs. (C) Tumor Volumen der Kaninchen implantiert mit leeren Gerüsten oder n-HA/Gerüste innerhalb von 5 Wochen. Fehlerbalken repräsentieren SD. n = 4 pro Gruppe. **P < 0.01 im Vergleich zu leeren, Gerüst, zwei-Wege-t-test. (D) Fotografien herausgeschnitten Implantate mit tumor aus den Wochen 2 bis 5. (E) Mikro-CT–rekonstruierten Bilder der Implantate und der angrenzenden Knochengewebe. B, Knochen; S, Gerüst; die Pfeile zeigen den angrenzenden kortikalen Knochenabbau durch tumor. (F) Histologische Beobachtung der implantierten scaffolds. S, Gerüst; T, tumor; rote Pfeile zeigen die Bildung von neuem Knochen. Foto-credit: Yong Zhou, Department of Orthopaedic Surgery, West China Hospital der Sichuan University. Kredit: die Wissenschaft Fortschritte, doi: 10.1126/sciadv.aax6946.

Durchführung von segmentalen Knochen-defekt-Reparatur mit n-HA/Gerüste in einem tumor-Umgebung

Die Wissenschaftler schlossen dann wound healing-assays zu identifizieren, wenn sekretorischen inflammatorische Zytokine wie TNFa (Tumor-Nekrose-Faktor Alpha) veröffentlicht wurden, von Makrophagen als Folge von n-HA-stimulation zur Hemmung der tumorzell-migration. Sie bestätigt, dass die Zytokin-Sekretion von Makrophagen nach stimulation mit n-HA senken könnte, tumor cell migration. Als das Forschungsteam abgeschlossen segmentalen Knochen-defekt-Reparatur mit einem n-HA/Gerüst in einem tumor-mikroumgebung einer Kaninchen-Modell danach, Sie beobachtet, 73.8 Prozent Reduktion in der tumor-Volumen von Kaninchen, die mit dem n-HA geladenen Gerüst Implantat. Histologische Studien zeigten die Poren der leere Gerüst komplett gefüllt mit tumor-Zellen, während weniger Tumorzellen durch die Aggregation in der n-HA/Gerüst. Die n-HA-beschichteten Implantaten unterdrückt tumor Wachstum und gefördert Knochenregeneration mit der Fähigkeit, sich schließlich auflösen in calcium-und Phosphor-Ionen, die für die schrittweise Ersatz durch neuen Knochen in vivo.