作者：兰州大学第一医院骨科      吕树刚

骨肉瘤是原发性恶性骨肿瘤，主要发生于儿童、青少年和60岁以上成人，在年轻患者中好发于长骨干骺端，常见于股骨远端、胫骨近端和肱骨近端，其特征是恶性成骨细胞产生类骨质或不成熟骨。近年来，针对骨肉瘤的免疫治疗、靶向治疗及基因治疗逐渐兴起，但仍存在各种问题和局限性。目前，骨肉瘤的标准治疗方案为新辅助化疗联合手术切除。然而由于骨组织解剖结构复杂，骨肉瘤完全切除仍不易达到，导致术后复发和肿瘤转移风险增加，同时手术切除导致的骨缺损无法愈合也会严重影响患者生活质量。此外，传统化疗可能导致肿瘤局部药物浓度不足和出现全身性不良反应，治疗效果受限。因此，迫切需要新的治疗策略。水凝胶是三维网络结构凝胶，通常由聚合物和大量水组成，具有多水、多孔、柔软和三维结构的特性，是将药物、生物活性分子递送到组织和细胞的理想载体。水凝胶还可以模拟细胞外基质的微环境，用于间充质干细胞的诱导和分化，因此可同时提供肿瘤治疗和增强骨再生的作用。我们回顾相关文献，对水凝胶应用于骨肉瘤治疗的研究进展进行综述。

水凝胶交联方式

水凝胶根据其制备方法可以分为物理交联水凝胶和化学交联水凝胶。物理交联水凝胶通过氢键、静电作用、疏水作用、主-客体作用和金属配位等物理相互作用形成水凝胶结构，以分子内或分子间的非共价键联结，其机械性能低于化学交联水凝胶，可因温度、pH值、离子强度等物理环境变化而发生解离，从而产生结构和性能的不稳定。但其不需要化学交联剂，具有优异的生物相容性和生物降解性。例如，氢键通过氢原子与其他负电原子相互作用形成水凝胶，带相反电荷的单体或聚合物之间、阳离子与阴离子之间的静电相互作用均可成为形成水凝胶的驱动力。

化学交联方式主要包括小分子交联剂共价交联、光交联和酶交联。化学交联水凝胶具有很强的化学共价键，可保持水凝胶稳定性，增强机械性能。Paul等使用能与可见光交联的GelMA-乙二醇壳聚糖，这种加入光引发剂后发生交联形成的水凝胶具有更高的压缩模量和拉伸模量，与软骨黏合度更高。化学交联经常涉及一些有毒交联剂或引发剂，限制了其使用，而酶交联提供了一种更安全的方案。Wang等通过微生物谷氨酰胺转氨酶诱导的交联,成功获得具有良好热敏性生物活性物质负载能力的乳铁蛋白-壳聚糖复合水凝胶。

水凝胶在骨肉瘤治疗中的应用

在骨肉瘤治疗中，水凝胶不仅能在肿瘤部位持续释放化疗药物，增强肿瘤靶向疗效，还可通过模拟骨组织的天然细胞外基质在骨再生中发挥重要作用。

输送药物并抑制肿瘤      常规化疗通过静脉输注药物，到达器官靶点的药物剂量较小，而提高化疗药物剂量又会损伤周围组织，产生不良反应。水凝胶具有独特的三维网状结构，可以作为药物储存库，将药物输送至肿瘤局部，减轻全身不良反应。Zhu等设计和制造一种pH响应型九肽水凝胶,用于阿霉素（DOX）的肿瘤靶向递送。这种九肽序列可在无任何添加剂下自组装成稳定的水凝胶，并在肿瘤微环境的酸性条件中持续性、选择性释放DOX，显著增强肿瘤部位药物保留，减少药物在其他部位分布。

肿瘤的发病机制复杂、多样，单一化疗药物治疗效果可能不理想，往往需要多种药物协同化疗。Meng等设计了一种新型可局部注射的聚乙醇酸-乳酸共聚物(PLGA)/聚乙二醇（PEG）/PLGA三嵌段共聚物热敏水凝胶，以负载DOX和顺铂（CDDP）治疗骨肉瘤。这种水凝胶具有很好的生物相容性和生物降解性，与载有单一药物的水凝胶相比，负载DOX和CDDP的水凝胶对Saos-2细胞和MG-63细胞的毒性更高，能使骨肉瘤的肿瘤坏死面积达到最大。他们将该新型局部注射水凝胶用于小鼠模型，治疗后主要器官（心、肺、肾、肝、脾）的组织学分析显示并无明显异常，表明局部注射治疗对正常器官的毒性较低。同样，Cui等采用反复冻融法制备出负载大黄酸（RH）和DOX的可注射聚乙烯醇基水凝胶（PRDH），并提出RH可以通过盐析效应促进水凝胶形成。PRDH可在肿瘤周围注射，注射后RH和DOX可从水凝胶中缓慢释放并被肿瘤细胞吸收。RH除了可以抑制肿瘤细胞的侵袭和转移，还可以下调外排蛋白P-糖蛋白，增加DOX的细胞内积累，提高DOX对肿瘤细胞的杀伤作用。RH和DOX联合使用具有更好的抗肿瘤效果和更低的毒性。

水凝胶还可以与聚合物微球、纳米颗粒、金属离子等结合以改善特性。Zhang等设计了一种负载Cu-Fe3O4纳米簇（NCs）的原位水凝胶，该水凝胶基于海藻酸钠（ALG），通过简单混合制备的Cu-Fe3O4NCs、青蒿琥酯和ALG溶液，在钙离子（Ca2＋）存在下形成稳定水凝胶。缓慢释放的铁铜基纳米酶可以大幅提高活性氧生成效率。此外，解离的亚铁离子（Fe2＋）、铜离子（Cu2＋）可与青蒿琥酯结合，形成以碳为中心的自由基，进一步放大细胞内的氧化应激反应。另一方面，细胞内Fe2＋和Cu2＋的富集能激活细胞内铁死亡和铜死亡通路，进一步杀死肿瘤细胞。受莲蓬结构启发，Yang等开发了一种可注射水凝胶HG-CAHs，HG-CAHs可将不同功能集成到一个单元中，包括荧光和CT成像、重复光热治疗和pH/近红外反应型DOX递送，将DOX@HG-CAHs注射到骨肉瘤后，水凝胶不仅在体内保留优异的双模式成像能力，还可通过重复光热治疗和pH/近红外反应型DOX的释放抑制骨肉瘤。

修复术后骨缺损      骨肉瘤切除后，骨缺损通常较大，难以愈合，通过添加生长因子、干细胞、其他小分子或生物支架，可以刺激成骨发生。水凝胶的可注射性和自愈性使肿瘤切除后不规则骨缺损能够被有效填充，提供了一种可行的术后治疗途径。水凝胶因具有生物相容性、生物活性、骨诱导特性、多孔结构和亲水性，可以促进细胞浸润和新生骨组织增殖，通过与其他材料结合可加速成骨细胞增殖和骨基质沉积，以此促进缺损部位骨再生。另一方面，载药水凝胶可以靶向未被完全切除的肿瘤残余物，降低肿瘤复发和转移风险。

Xiao等开发一种新型压电增强近红外光催化纳米异质结（铋/钛酸锶纳米颗粒，Bi/SrTiO3NPs），并将其集成到氧化硫酸软骨素和明胶组成的可注射生物聚合物水凝胶中，用于抗骨肉瘤治疗和成骨治疗。该水凝胶具有优异的机械性能，并能通过响应肿瘤微环境（pH值＜6.7）而降解，从而可持续释放Bi/SrTiO3NPs，压电增强光动力疗法在人源组织异种移植物肿瘤模型和胫骨骨肉瘤模型中的肿瘤抑制率分别达到98.6%和67.6%。此外，复合水凝胶降解后暴露的Bi/SrTiO3NPs可对中等强度超声波作出反应，产生压电刺激，有效激活磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B通路，促进骨髓间充质干细胞（BMSC）成骨分化，加速骨愈合。

Chu等开发一种具双重功能的生物活性纳米复合水凝胶。他们将甲基丙烯酸酯化透明质酸（HA）和巯基乙基化的双膦酸盐（BP）偶联，得到HA-BP。将HA-BP、游离BP（帕米膦酸盐）与MgCl2混合后，BP与镁离子（Mg2＋）的有效配位作用驱动自组装纳米复合水凝胶形成，将程序性死亡受体配体1（PD-L1）抗体和Vismodegib封装于HA-BP-Mg水凝胶中。PD-L1抗体和Vismodegib可以杀死肿瘤细胞，BP通过抑制破骨细胞活性保存骨钙，释放的Mg2＋增强了碱性磷酸酶的表达和活性，在体外实验中能促进BMSC的成骨分化。

Yu等的研究通过合理整合Fe3O4、MgCO3颗粒和葡萄糖氧化酶（GOx）-PLGA凝胶，构建了可注射磁性相变骨修复水凝胶（Fe3O4/GOx/MgCO3@PLGA凝胶，MBR），这种水凝胶容易被注射到肿瘤中，并填充不规则的病理性骨缺损，其中可持续释放的Mg2＋赋予MBR骨诱导生物活性，增加体外成骨细胞分化和体内骨再生。他们将颅骨缺损大鼠模型分为空白对照组（缺损未填充）、PLGA填充组和MBR填充组，12周后发现，MBR组颅骨缺损模型可形成一个结构较厚、骨髓空间充足的完整骨桥，新生骨组织多于PLGA组，而空白对照组几乎未见新生骨形成。这证实MBR具有显著成骨功能，可促进骨再生并协助骨矿化，对骨肉瘤的骨缺损修复非常有益。

Jiang等制备一种载有BMSC的机械增强的生物活性海藻酸钠复合水凝胶微球，并将其用于微创骨修复。该微球以海藻酸钠（SA）为主要基质封装BMSC，并与硬硅钙石（CSH）纳米线交联，增强水凝胶的机械性能和成骨分化诱导能力。在大鼠股骨缺损处分别注射SA、SA/BMSC、SA/CSH和SA/CSH/BMSC复合水凝胶微球，对照组未作任何处理，20周后发现，SA/BMSC组、SA/CSH组和SA/CSH/BMSC组有更好的骨再生效果，特别是SA/CSH/BMSC组的软骨层基本恢复正常，新生软骨组织与周围组织结合紧密，CT扫描可发现明显骨小梁结构，组织学和免疫组化染色清楚地观察到成熟骨小梁，而对照组和SA组仍然存在明显骨缺损。负载BMSC的复合水凝胶微球为微创骨修复提供了一种有前途的可注射骨替代品。

结语

水凝胶在骨肉瘤治疗方面的研究越来越广泛。以水凝胶为载体输送药物可以保护包埋的药物免受降解、酶活性和恶劣生理条件的影响，延长其保质期。水凝胶的多孔结构允许在较长时间内控制药物释放，确保体内的持续治疗水平。这种控释机制不仅提高了药物疗效，还降低了给药频率，从而提高患者依从性。此外，水凝胶还可以做到靶向递送和局部药物递送，减轻化疗的全身不良反应，尤其是可注射水凝胶允许将载药凝胶精确放置在所需位置，能够局部治疗肿瘤。此外，水凝胶还可以作为支架材料负载生长因子、金属离子或间充质干细胞来促进骨再生。

然而，水凝胶治疗骨肉瘤仍有许多问题未解决。大多数天然水凝胶的机械强度不足以为细胞和组织提供实质性机械支撑。对天然水凝胶改造时加入具有不可生物降解和非生物相容性的物质，会降低水凝胶安全性。同时，大多数研究均处于实验阶段，尚未应用于临床治疗。

来源：国际骨科学杂志2025年1月第46卷第1期

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