Evaluation of the mechanisms and effects of Mg-Ag-Y alloy on the tumor growth and metastasis of the MG63 osteosarcoma cell line

鎂銀釔合金對MG63骨肉瘤細胞系腫瘤生長和轉移的機制及效果評估

來源：Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, volume 107B, issue 8, November 2019

《生物醫學材料研究B輯：應用生物材料》，第107B卷，第8期，2019年11月

 

摘要

這篇論文研究了鎂銀釔合金（Ex-Mg-1Ag-1Y）對骨肉瘤生長和轉移的影響。摘要指出，骨肉瘤是一種惡性原發性骨腫瘤，常伴隨肺轉移。鎂及其合金作為骨科植入材料具有生物可降解、促進骨生成和抗腫瘤特性，但存在降解速率不可控和抗腫瘤機制不明的問題。研究通過添加銀和釔元素提高合金的耐腐蝕性，并在裸鼠體內植入實驗中發現，Ex-Mg-1Ag-1Y合金和純鎂均能抑制局部腫瘤生長和肺轉移，其機制可能通過改變細胞外酸中毒微環境、提高鎂濃度、抑制C-X-C趨化因子受體4型（CXCR4）表達和增加前列環素（PGI2）合成實現。結果表明，Ex-Mg-1Ag-1Y合金因其更好的耐腐蝕性和抗腫瘤特性，有望成為治療骨肉瘤的骨科植入材料。

 

研究目的

研究目的是評估Ex-Mg-1Ag-1Y合金的腐蝕性能和抗腫瘤效果，特別是對骨肉瘤生長和肺轉移的影響，并探討其潛在機制，以開發具有抗腫瘤特性的骨科植入材料。

 

研究思路

研究思路是制備Ex-Mg-1Ag-1Y合金，通過X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜分析（EDS）表征其微觀結構和相組成。進行體外腐蝕測試（浸泡實驗和電化學測量）評估合金的降解行為。建立裸鼠骨肉瘤模型，植入合金、純鎂和鈦合金，監測腫瘤體積、重量和肺轉移情況。使用丹麥Unisense pH微電極測量腫瘤周圍pH值，ICP-AES檢測離子濃度。通過組織學分析（H&E染色）、免疫組化、Western blot和qRT-PCR評估相關蛋白和基因表達（如CXCR4、AKP），并檢測血液指標（TXB2和6-keto-PGF1α）以闡明機制。

 

測量的數據及研究意義

1 合金微觀結構數據來自圖1，包括XRD圖譜、SEM和EDS分析。研究意義是確認合金由鎂基體、Mg54Ag17和Ag2Y第二相組成，熱擠壓細化晶粒，提高耐腐蝕性，為后續性能測試提供材料基礎。

 

2 體外腐蝕行為數據來自圖2和圖3，包括pH變化、氫氣體積、重量變化和極化曲線。研究意義是顯示Ex-Mg-1Ag-1Y合金比純鎂具有更高腐蝕電位和更慢降解速率，釔形成保護性氧化膜（Y2O3和Y(OH)3），增強耐久性，支持其作為植入材料的可行性。

 

 

3 體內腫瘤重量和體積數據來自圖4A、4C、4D。研究意義是證明Ex-Mg-1Ag-1Y合金和純鎂組腫瘤重量和相對體積顯著低于鈦合金組，表明鎂基材料能有效抑制局部腫瘤生長。

 

4 pH值和離子濃度數據來自圖4E、4F、4G，使用丹麥Unisense pH微電極和ICP-AES測量。研究意義是顯示合金降解初期pH升高，后期穩定，鎂和銀離子濃度 transient 增加，創造堿性微環境和高鎂濃度，抑制腫瘤細胞增殖。

5 X射線成像數據來自圖5。研究意義是直觀顯示合金植入36天后部分降解，純鎂降解更明顯，鈦合金無變化，驗證合金在體內的降解行為與體外一致。

 

6 局部腫瘤組織學數據來自圖6，包括H&E染色、免疫組化、TEM、qRT-PCR和Western blot。研究意義是證實合金組腫瘤細胞出現凋亡體，CXCR4和AKP表達下調，表明通過調節鈣信號和細胞凋亡抑制腫瘤。

 

7 肺轉移評估數據來自圖7，包括大體觀察、H&E染色、評分系統和分子檢測。研究意義是顯示合金組肺轉移結節數量和評分低于鈦合金組，但轉移組織中CXCR4和AKP無差異，表明合金主要影響局部而非遠處轉移。

 

8 血液指標數據來自圖7G、7H，檢測TXB2和6-keto-PGF1α。研究意義是合金組TXB2/PGI2比率降低，表明前列環素增加，抑制血小板聚集和內皮損傷，減少轉移風險。

 

結論

論文得出結論，Ex-Mg-1Ag-1Y合金相比純鎂具有更優的耐腐蝕性，能有效抑制骨肉瘤局部生長和肺轉移。其抗腫瘤機制涉及降解導致的堿性微環境、高鎂濃度拮抗鈣信號、下調CXCR4表達以及調節TXA2/PGI2平衡。該合金作為骨科植入材料，在治療骨肉瘤方面具有潛在臨床價值。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense pH微電極測量的數據是腫瘤周圍微環境的pH值變化（圖4E），研究意義在于實時監測合金降解過程中局部pH的動態變化，驗證鎂基材料降解產生的OH-離子如何中和腫瘤酸中毒微環境。這種精確測量證實了堿性微環境的形成，直接關聯到腫瘤細胞凋亡和生長抑制，為機制研究提供了關鍵證據。電極的高分辨率和實時監測能力確保了數據的可靠性，支持堿性微環境作為抗腫瘤策略的有效性，并強調合金降解的可控性在治療中的重要性。