【原】多管齐下！一种有望修复骨质疏松性骨缺损的复合水凝胶

近几十年来，随着全球老龄化人口的快速增长，与骨质疏松有关的骨折数量已成为世界性的健康问题，严重危害中老年人的健康。作为一种进行性骨骼疾病，骨质疏松症的特点是骨量低和骨组织结构受损，导致骨骼脆弱，骨折风险增加。由于骨形成和骨吸收之间的不平衡，伴随着恶劣的微环境和异常的炎症反应，修复骨质疏松性骨缺损的主要挑战被推迟了。当前，骨质疏松症患者的骨修复仍然是一个巨大的挑战，因为他们的损伤部位通常伴有异常水平的炎症和活性氧（ROS）。ROS 之前在骨缺损中被可视化，以过氧化氢（H₂O₂）表示在骨缺损中。

 

来自苏州大学和北京化工大学的学者进一步可视化了骨质疏松症动物体内的H₂O₂，发现其H₂O₂的表达明显高于正常动物。随后，制备了含有二氧化锰（MnO₂）包被的磷酸钙微球的复合水凝胶，该微球负载有成纤维细胞活化蛋白抑制剂（FAPi）。其中，MnO₂被设计为消除H₂O₂并产生氧气的催化剂，FAPi的不断释放用于调节免疫反应和骨骼形成。体外实验表明，水凝胶可有效降低细胞内ROS，引导巨噬细胞走向M2极化，从而缓解炎症。此外，水凝胶增强成骨作用并抑制破骨细胞生成。动物实验表明，水凝胶可以消除ROS，调节巨噬细胞，从而促进骨质疏松性骨缺损的修复。总之，这项研究表明，多管齐下的方法有很大的希望通过拯救ROS微环境和指导免疫反应来促进骨质疏松性骨缺损的修复。相关文章以“A Multifunctional Composite Hydrogel That Rescues the ROS Microenvironment and Guides the Immune Response for Repair of Osteoporotic Bone Defects”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

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

 图1. MMS和水凝胶的合成和表征。A)CaCO ₃、CaP、CaP/PDA和MMS的SEM图像。B) MMS 的 Ca、P、C、N、O 和 Mn 的元素映射。C) FAPi-MMS-Gel 的示意图。D) γ-PGA 和 m-PGA 的1 H-NMR。E) 凝胶、0.25%MMS-Gel、0.5% MMS-Gel 和 1%MMS-Gel 的 SEM 图像。F) 接种在 Gel 和 MMS-Gel 表面的BMSCs 的细胞骨架染色图像（0.25%、0.5% 和 1%）。G) 复合水凝胶在酸性和中性条件下的 FAPi 释放特性。

 

图2. 复合水凝胶的抗氧化性能。A)MMS 过氧化物酶的活性的示意图。B) MMS 的过氧化物酶活性通过 TMB 氧化来证明。C) 用 H₂O₂处理的 ROS 阳性 BMSCs 的荧光图像。D)用 RANKL 处理的 ROS 阳性 BMM 的荧光图像。E) 复合水凝胶孵育 7 天后 BMSCs 中抗氧化相关基因的表达。F) 与复合水凝胶一起孵育 7 天的BMM 中抗氧化相关基因的表达。

  

图3. 巨噬细胞的鉴定和BMM的炎症相关基因表达。A) M1 巨噬细胞和 B) M2 巨噬细胞的流式细胞术分析。C) M1 巨噬细胞和 M2 巨噬细胞的定量分析。D) 用复合水凝胶孵育 2 天的 BMM中促炎和抗炎基因的表达。

  

图4. 复合水凝胶上 BMSCs 体外成骨的表征。A) ALP 染色 7 天，B) 茜素红染色 14 天。C) 7天（ Alpl、Sppl和Runx2）和14天（Col1a1和Bglap ）成骨相关基因的表达。D) 7 天 (OPN 和 RUNX2)和 14 天 (COL1 和 BGLAP) 成骨相关蛋白的表达。

  

图5. 复合水凝胶上 BMM 的体外破骨细胞生成。A) BMM 在复合水凝胶上的 7 天TRAP 染色。B) 坑形成试验用于评估 9 天的破骨细胞功能。C) 破骨细胞中足体带形成的代表性图像。D) 破骨细胞面积的定量分析。E) 骨片上吸收面积比例的定量分析。F) 平均破骨细胞面积和每个破骨细胞的细胞核数量的定量分析。G) Fos、Nfatc1、Acp5和Mmp9的相对基因表达在7天的复合水凝胶上的 BMM 破骨细胞生成过程中。H) ACP5 和 CTSK 在 BMMs 在复合水凝胶上的破骨细胞生成过程中 7 天的蛋白质表达。I) 蛋白质印迹的定量分析。

 

图6. 体内 ROS 清除。A) 正常 (Ctrl) 和 OVX 小鼠股骨的 PA 图像。B) 骨损伤后正常(Ctrl) 和 OVX 小鼠股骨的 PA 图像。C) 正常 (Ctrl) 和 OVX 小鼠股骨的 PA 信号。D) 骨损伤后正常(Ctrl) 和 OVX 小鼠股骨的 PA 信号。

  

图7. 体内巨噬细胞分析。手术后 4 周骨缺损中 A) CD86（绿色）和 B) CD206（红色）的免疫荧光图像。

 

图8. 通过复合水凝胶进行骨修复。A)分别在 4 周和 12 周时对股骨进行 Micro-CT 3D 重建。B) 定量结果表示为 BV/TV 和 Tb.N。C) 分别在 4 周和 12 周时对 OVX 大鼠不同组的样品进行 H&E 染色和 D) TRAP 染色。

 

在这项研究中，本文选择了一种改善ROS 微环境的方法。在患有骨质疏松性骨缺损的患者中，活性氧平衡被破坏，因此活性氧水平显着升高。越来越多的证据表明，活性氧在破骨细胞形成和骨吸收中起着关键作用。ROS可以激活衰老组织中的NF-κB，促进破骨细胞的形成。过量的活性氧还可以抑制骨髓间充质干细胞的成骨分化，阻碍新骨的形成。因此，过量的活性氧可能会损害骨愈合。既往研究表明，降低活性氧可有效抑制破骨细胞活性，减少骨吸收。本文认为，与使用抗骨质疏松药物治疗相比，调节损伤部位过量的 ROS 也是改善骨损伤时恶劣微环境、加速骨质疏松性骨缺损修复的有效策略。因此，本研究开发了用于骨修复的 ROS 调节生物材料。本研究开发了一种基于 ROS 微环境和免疫调节的多功能复合水凝胶。复合水凝胶具有降低活性氧、调节巨噬细胞极化、促进成骨分化、抑制破骨细胞形成等多种功能。这项研究表明，通过拯救 ROS 微环境和引导免疫反应来促进骨质疏松性骨缺损修复的多管齐下的方法是修复骨质疏松性骨缺损的有前景的方法。（文：SSC）

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