苏州大学李斌、刘庄、韩凤选团队 AFM：开辟骨组织再生新途径

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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。

图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。

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

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202111208

相关进展

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