隨著世界人口老齡化的加劇,骨質疏松性骨折已成為威脅中老年患者健康的全球性問題。盡管骨質疏松性骨缺損的修復受到了越來越多的關注,但骨質疏松性骨缺損的修復到目前為止仍存在巨大的挑戰(zhàn)。骨損傷發(fā)生后,損傷部位的微環(huán)境會發(fā)生變化,弱堿性的微環(huán)境會迅速轉變?yōu)樗嵝裕鹾繒陆担瑫r損傷部位的過氧化氫(H2O2)水平提高,這不但會阻礙骨髓間充質干細胞(BMSC)向成骨細胞分化,也會使破骨細胞過度活躍,影響骨愈合進程。損傷部位的炎癥反應也會迅速提高,進一步延緩了骨質疏松性骨缺損的修復。此外,成纖維細胞活化蛋白(FAP)在損傷部位的表達也會影響免疫響應、抑制成骨,阻礙骨質疏松性骨缺損的修復。
近期,蘇州大學李斌、韓鳳選團隊和北京化工大學柳朝永團隊制備了一種負載成纖維細胞活化蛋白抑制劑(FAPi)的具有二氧化錳(MnO2)涂層包覆的磷酸鈣微球(MMS)。其中,MMS表面MnO2被設計為“先頭部隊”來清除損傷部位的H2O2并產生氧氣,MMS不斷釋放FAPi與Mn2+協同調節(jié)免疫反應和骨形成(Scheme 1)。
在本研究中,研究人員制備了4種復合水凝膠用于后續(xù)實驗:Gel(5% m-PGA和5% GelMA組成的水凝膠)、MMS-Gel(0.5% MMS、5% m-PGA和5% GelMA組成的水凝膠)、2FAPi-MMS-Gel(將0.5% MMS浸泡在200 μg/mL的FAPi溶液中12 h后再與5% m-PGA和5% GelMA組成的水凝膠)和5FAPi-MMS-Gel(將0.5% MMS浸泡在500 μg/mL的FAPi溶液中12 h后再與5% m-PGA和5% GelMA組成的水凝膠)。研究人員首先探究了復合水凝膠提高BMSC和(骨髓來源的巨噬細胞)BMM抗氧化能力的效果。TMB檢測結果顯示MMS微球可消除H2O2,并且呈現劑量依賴性。ROS染色和抗氧化相關基因的檢測證明了MMS微球可提高BMSC和BMM的抗氧化能力(Figure 1)。
研究人員還檢測了復合水凝膠對巨噬細胞極化的影響。從流式細胞術及炎癥相關基因的檢測結果顯示,MMS和FAP的加入會促進巨噬細胞向M2表型極化,并降低促炎相關基因的表達,提高促炎相關基因的表達(Figure 2)。
值得一提的是,在本研究中研究人員通過光聲成像技術以可視化的方式檢測了H2O2在小鼠體內的表達。證明了骨質疏松小鼠體內的H2O2含量與正常小鼠相比略微提高。在骨缺損發(fā)生后,損傷部位的H2O2含量進一步提高,而MMS-Gel的加入則降低了損傷部位的H2O2含量。通過光聲成像技術進一步在體內驗證了復合水凝膠改善ROS微環(huán)境的效果(Figure 3)。
綜上所述,本研究開發(fā)了一種基于ROS微環(huán)境和免疫調節(jié)以促骨修復的多功能復合水凝膠。該復合水凝膠具有降低ROS、調節(jié)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,是一種很有前景的修復骨質疏松性骨缺損的方法。
相關研究成果以“A multifunctional composite hydrogel that rescues the ROS microenvironment and guides the immune response for repair of osteoporotic bone defects”為題發(fā)表在《Adv. Funct. Mater.》期刊上。蘇州大學碩士生陳起新及博士生李家穎、韓峰為論文共同第一作者,蘇州大學韓鳳選副研究員、李斌教授及北京化工大學柳朝永副教授為論文通訊作者。
論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202201067
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