Advanced Functional Materials:开辟骨组织再生新途径

组织损伤后,其内部的病理微环境影响着细胞生长、分化及凋亡,因而对组织修复和疾病治疗起着至关重要的作用。在众多的病理微环境因素中,活性氧自由基(ROS)可引起细胞产生氧化应激,抑制细胞生存。迄今为止,越来越多的研究聚焦于通过响应ROS为病理组织进行药物递送,以求实现组织修复。

听过但从未见过

骨损伤后会伴随过量的ROS产生。不仅如此,损伤后血管破裂导致的氧供不足会引起ROS持续升高,进而对组织造成二次损伤。同时,损伤部位也会呈现pH下降现象,从而加剧炎症反应,抑制骨组织修复。过氧化氢(H2O2)是一类典型的ROS,常用于癌症、心血管疾病、炎症及退行性疾病的诊断。然而,在骨组织损伤及修复中未见报道。

扭转乾坤,一箭双雕

最近苏州大学李斌教授、刘庄教授和韩凤选副教授合作,通过光声成像(PA)技术首次实现了骨损伤微环境中H2O2的可视化。研究结果表明,骨损伤后H2O2水平显著升高,这对ROS介导的骨科疾病(骨质疏松、关节炎等)的早期诊断有着极为重要的意义。

图1. 骨损伤后ROS水平显著升高。

然而,仅仅实现H2O2的可视化对骨组织修复及再生是远远不够的。他们进一步制备空心二氧化锰纳米粒子(hMNP),负载BMP-2衍生肽后加入GelMA水凝胶中,通过光交联制备得到BhMNP/GelMA复合水凝胶。该复合水凝胶可分解骨损伤部位过量的H2O2,并产生氧气(O2),释放负载的BMP-2衍生肽的同时自身降解为锰离子(Mn2+),三者协同作用,将骨损伤处不利的微环境转变为利于骨再生的微环境,为骨组织再生修复开辟了一条“通天大道”。

图2. 骨损伤微环境中ROS的可视化及调控。

将大鼠骨髓间充质干细胞(BMSC)接种于水凝胶表面,hMNP/GelMA清除胞内的ROS,保护细胞免受ROS损伤。

3. hMNP/GelMA复合水凝胶保护细胞免受ROS损伤。

hMNP/GelMA复合水凝胶有效促进大鼠BMSC体外成骨分化,装载BMP-2衍生肽后,进一步促进BMSC成骨分化。

图4. hMNP/GelMA复合水凝胶促进BMSC成骨分化。

hMNP/GelMA显著提高胞内抗氧化基因的表达,提高细胞的氧化防御能力,这是促进细胞成骨分化的有力保证。

图5. hMNP/GelMA复合水凝胶促进胞内抗氧化基因表达,提高细胞氧化防御能力。

将水凝胶植入大鼠颅骨损伤部位,通过PA技术发现,hMNP/GelMA有效清除损伤部位的H2O2,为新骨形成提供了良好微环境。

图6. hMNP/GelMA复合水凝胶清除骨损伤部位的ROS。

将水凝胶植入大鼠颅骨损伤部位,hMNP/GelMA高效促进新生骨产生,负载BMP-2衍生肽后进一步促进骨组织再生。

图7. hMNP/GelMA复合水凝胶促进骨组织修复。

苏州大学李斌教授、刘庄教授和韩凤选副教授为论文共同通讯作者。

作者简介

李斌:苏州大学特聘教授,骨科研究所副所长,江苏特聘医学专家。在JACSAngew Chem Int EdAdv Funct MaterBone ResBiomaterials等期刊发表学术论文150余篇。主要研究方向为骨科生物材料与再生医学。

刘庄:苏州大学特聘教授,功能纳米与软物质研究院副院长。发表学术论文320余篇。主要研究方向为肿瘤诊疗中的若干挑战性问题,发展了一系列新型纳米探针用于体外生物检测与活体分子影像,并探索了多种基于纳米技术和生物材料的肿瘤光学治疗、放射治疗、与免疫治疗新策略。

韩凤选:苏州大学副研究员。2009年毕业于天津工业大学材料科学与化学工程学院材料科学与工程专业。2014年获得天津大学材料学工学博士学位。已发表SCI论文30余篇。主要研究方向为生物医用材料与组织工程。

论文信息:

Targeting Endogenous Hydrogen Peroxide at Bone Defects Promotes Bone Repair

Jiaying Li, Fengxuan Han*, Jinjin Ma, Huan Wang, Jun Pan, Guangbao Yang, He Zhao, Jiayue Zhao, Jinbo Liu, Zhuang Liu*, Bin Li*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202111208

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202111208