【原】多管齊下！一種有望修復骨質疏松性骨缺損的復合水凝膠

材料科學網 2022-05-23 發布于江西

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近幾十年來，隨著全球老齡化人口的快速增長，與骨質疏松有關的骨折數量已成為世界性的健康問題，嚴重危害中老年人的健康。作為一種進行性骨骼疾病，骨質疏松癥的特點是骨量低和骨組織結構受損，導致骨骼脆弱，骨折風險增加。由于骨形成和骨吸收之間的不平衡，伴隨著惡劣的微環境和異常的炎癥反應，修復骨質疏松性骨缺損的主要挑戰被推遲了。當前，骨質疏松癥患者的骨修復仍然是一個巨大的挑戰，因為他們的損傷部位通常伴有異常水平的炎癥和活性氧（ROS）。ROS 之前在骨缺損中被可視化，以過氧化氫（H₂O₂）表示在骨缺損中。

來自蘇州大學和北京化工大學的學者進一步可視化了骨質疏松癥動物體內的H₂O₂，發現其H₂O₂的表達明顯高于正常動物。隨后，制備了含有二氧化錳（MnO₂）包被的磷酸鈣微球的復合水凝膠，該微球負載有成纖維細胞活化蛋白抑制劑（FAPi）。其中，MnO₂被設計為消除H₂O₂并產生氧氣的催化劑，FAPi的不斷釋放用于調節免疫反應和骨骼形成。體外實驗表明，水凝膠可有效降低細胞內ROS，引導巨噬細胞走向M2極化，從而緩解炎癥。此外，水凝膠增強成骨作用并抑制破骨細胞生成。動物實驗表明，水凝膠可以消除ROS，調節巨噬細胞，從而促進骨質疏松性骨缺損的修復。總之，這項研究表明，多管齊下的方法有很大的希望通過拯救ROS微環境和指導免疫反應來促進骨質疏松性骨缺損的修復。相關文章以“A Multifunctional Composite Hydrogel That Rescues the ROS Microenvironment and Guides the Immune Response for Repair of Osteoporotic Bone Defects”標題發表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：

https://onlinelibrary./doi/10.1002/adfm.202201067

圖1. MMS和水凝膠的合成和表征。A)CaCO₃、CaP、CaP/PDA和MMS的SEM圖像。B) MMS 的 Ca、P、C、N、O 和 Mn 的元素映射。C) FAPi-MMS-Gel 的示意圖。D) γ-PGA 和 m-PGA 的1 H-NMR。E) 凝膠、0.25%MMS-Gel、0.5% MMS-Gel 和 1%MMS-Gel 的 SEM 圖像。F) 接種在 Gel 和 MMS-Gel 表面的BMSCs 的細胞骨架染色圖像（0.25%、0.5% 和 1%）。G) 復合水凝膠在酸性和中性條件下的 FAPi 釋放特性。

圖2. 復合水凝膠的抗氧化性能。A)MMS 過氧化物酶的活性的示意圖。B) MMS 的過氧化物酶活性通過 TMB 氧化來證明。C) 用 H₂O₂處理的 ROS 陽性 BMSCs 的熒光圖像。D)用 RANKL 處理的 ROS 陽性 BMM 的熒光圖像。E) 復合水凝膠孵育 7 天后 BMSCs 中抗氧化相關基因的表達。F) 與復合水凝膠一起孵育 7 天的BMM 中抗氧化相關基因的表達。

圖3. 巨噬細胞的鑒定和BMM的炎癥相關基因表達。A) M1 巨噬細胞和 B) M2 巨噬細胞的流式細胞術分析。C) M1 巨噬細胞和 M2 巨噬細胞的定量分析。D) 用復合水凝膠孵育 2 天的 BMM中促炎和抗炎基因的表達。

圖4. 復合水凝膠上 BMSCs 體外成骨的表征。A) ALP 染色 7 天，B) 茜素紅染色 14 天。C) 7天（ Alpl、Sppl和Runx2）和14天（Col1a1和Bglap ）成骨相關基因的表達。D) 7 天 (OPN 和 RUNX2)和 14 天 (COL1 和 BGLAP) 成骨相關蛋白的表達。

圖5. 復合水凝膠上 BMM 的體外破骨細胞生成。A) BMM 在復合水凝膠上的 7 天TRAP 染色。B) 坑形成試驗用于評估 9 天的破骨細胞功能。C) 破骨細胞中足體帶形成的代表性圖像。D) 破骨細胞面積的定量分析。E) 骨片上吸收面積比例的定量分析。F) 平均破骨細胞面積和每個破骨細胞的細胞核數量的定量分析。G) Fos、Nfatc1、Acp5和Mmp9的相對基因表達在7天的復合水凝膠上的 BMM 破骨細胞生成過程中。H) ACP5 和 CTSK 在 BMMs 在復合水凝膠上的破骨細胞生成過程中 7 天的蛋白質表達。I) 蛋白質印跡的定量分析。

圖6. 體內 ROS 清除。A) 正常 (Ctrl) 和 OVX 小鼠股骨的 PA 圖像。B) 骨損傷后正常(Ctrl) 和 OVX 小鼠股骨的 PA 圖像。C) 正常 (Ctrl) 和 OVX 小鼠股骨的 PA 信號。D) 骨損傷后正常(Ctrl) 和 OVX 小鼠股骨的 PA 信號。

圖7. 體內巨噬細胞分析。手術后 4 周骨缺損中 A) CD86（綠色）和 B) CD206（紅色）的免疫熒光圖像。

圖8. 通過復合水凝膠進行骨修復。A)分別在 4 周和 12 周時對股骨進行 Micro-CT 3D 重建。B) 定量結果表示為 BV/TV 和 Tb.N。C) 分別在 4 周和 12 周時對 OVX 大鼠不同組的樣品進行 H&E 染色和 D) TRAP 染色。

在這項研究中，本文選擇了一種改善ROS 微環境的方法。在患有骨質疏松性骨缺損的患者中，活性氧平衡被破壞，因此活性氧水平顯著升高。越來越多的證據表明，活性氧在破骨細胞形成和骨吸收中起著關鍵作用。ROS可以激活衰老組織中的NF-κB，促進破骨細胞的形成。過量的活性氧還可以抑制骨髓間充質干細胞的成骨分化，阻礙新骨的形成。因此，過量的活性氧可能會損害骨愈合。既往研究表明，降低活性氧可有效抑制破骨細胞活性，減少骨吸收。本文認為，與使用抗骨質疏松藥物治療相比，調節損傷部位過量的 ROS 也是改善骨損傷時惡劣微環境、加速骨質疏松性骨缺損修復的有效策略。因此，本研究開發了用于骨修復的 ROS 調節生物材料。本研究開發了一種基于 ROS 微環境和免疫調節的多功能復合水凝膠。復合水凝膠具有降低活性氧、調節巨噬細胞極化、促進成骨分化、抑制破骨細胞形成等多種功能。這項研究表明，通過拯救 ROS 微環境和引導免疫反應來促進骨質疏松性骨缺損修復的多管齊下的方法是修復骨質疏松性骨缺損的有前景的方法。（文：SSC）