南京大学医学院附属鼓楼医院蒋青团队：骨靶向抗氧化纳米氧化铁治疗绝经后骨质疏松症|Bioactive Materials
近期，南京大学医学院附属鼓楼医院蒋青团队在科爱出版创办的期刊Bioactive Materials上联合发表研究文章：骨靶向抗氧化纳米氧化铁治疗绝经后骨质疏松症。每天使用离子交换蛋白通过清除体内活性氧的活性来缓解雌激素缺乏引起的骨质疏松症。并在卵巢切除诱导的骨质疏松小鼠中验证了新型骨靶向氧化铁的骨靶向能力、治疗效率和生物相容性，通过骨代谢的正调节得到显著改善。
01
研究内容简介
图1 BTNP由离子交换和阿仑膦酸盐制备
一、 IONPs在体内正调节骨代谢
作者证明了IONPs可以保护小鼠免受OVX诱导的骨质疏松症。如图2a所示，卵巢切除后12周，每周两次腹腔注射离子交换蛋白，持续8周。之后，使用显微CT分析股骨远端（图2b）。结果显示，松质骨在术后显著减少，而IONPs治疗可防止骨量丢失。为了进一步证实IONPs如何影响骨代谢，使用Masson和TRAP染色来评估骨形成和吸收的情况。如图2f所示，识别并测量附着在骨表面的新形成的类骨，以评估骨形成。OVX组的类骨周长百分比（%0.Pm）显著降低，而IONPs组显著增加，表明晚期POP中降低的骨形成能力增强（图2g）。同时，在图2h所示的TRAP染色照片中，OVX组中被红色染色的骨吸收表面显著增加，这可能是IONPs抑制的结果。这些指标都表明了在晚期OVX小鼠模型中，IONPs正调节骨代谢。
图2.IONPs 正调节体内骨代谢。（a） 体内试验时间线示意图。（b） 实验小鼠股骨远端的显微CT重建图像以及BMC（c）、BV/TV（d）和BMD（e）的定量结果。（f） 实验小鼠骨切片的Masson染色和%0.Pm（g）的定量结果。（h）实验小鼠骨切片的TRAP染色和%Er的定量结果。（i） Ul通过Elisa测试评估的相对血浆蛋白表达，包括PINP、OT/BPG和OSCAR。
二、IONPs通过清除活性氧调节骨代谢
为了进一步探索IONPs交换的潜在机制，作者评估了体内氧化应激水平。在POP小鼠中观察到氧化应激相关蛋白（包括Noxl、Nox4和S0D1）增加，而补充IONPs的免疫荧光结果也增加（图3a-d）。图3e和f都证明了OVX组的骨髓基质干细胞在IONPS处理后更多地分化为骨组织。转录因子Runx2能反映从骨髓基质细胞到成骨细胞的转化程度，从图3g不难发现，在成骨分化的早期阶段（改变成骨培养基后7天），来自OVX小鼠的RUNX2向细胞核的易位减少。然而，在IONPs处理后，在细胞核中观察到更多的Runx2，表明BMSCs明显分化为成骨细胞。在流式细胞仪测试结果中，ROS水平显示出与荧光结果相同的变化（图2i），活性氧水平显示出明显的剂量依赖性下降。图3.IONP交换蛋白通过清除活性氧积极调节骨代谢。不同小鼠（蓝色，DAPI；绿色，靶蛋白）中Noxl（a）、Nox4（b）和S0D1（c）的免疫荧光染色图像以及定量结果（d）。（e） 不同小鼠的BMSCs在具有/不具有离子交换剂的成骨刺激28天后的ARS染色结果和定量结果（f）。（g） 不同小鼠骨髓间充质干细胞的Runx2在有/无离子P的成骨刺激7天后的免疫荧光染色（蓝色，DAPI；绿色，Runx2）和定量结果（h）。（i） 不同小鼠的单核细胞在破骨细胞刺激7天后的TRAP染色和破骨细胞面积的定量结果（j）。Raw 264.7细胞中ROS的荧光染色图像（k）和流式细胞术（i）结果。
三、 BTNP骨靶向能力的评价
之后，将药物静脉注射到小鼠尾血管中一小时后，取所有组织，包括心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏，进行IVIS评估。在图4a中，可以观察到BTNP更可能聚集在骨组织而不是其他器官中。同时，取股骨和腰椎进行IVIS评估。BTNP的荧光强度明显高于注射PBS和IONPs组，表明BTNP具有良好的骨靶向能力（图4b-e）。通过ICP-MS测量在注射后24小时测定从组织获得的生物分布数据。如图4f所示，小鼠肝脏和脾脏中残留的BTNP低于注射IONPs处理组。在其他主要器官中观察到类似的生物分布趋势。这些结果表明，阿仑膦酸盐可以有效地将IONPs传递到骨组织，导致组织摄取剂量降低。
图4：BTNP的制备和表征。（a） 股骨（b）和腰椎（c）以及定量结果（d，e）。（f）ICP-MS结果显示不同器官（包括心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏）组织摄取铁元素。
四、BTNPs 有效改善OVX 诱导小鼠模型中的骨质流失
制备BTNP并证明其骨靶向能力后，在体内评估了治疗效果。实验设计如图5a所示。首先使用显微CT分析松质骨的情况，如图5b所示，用阿仑膦酸盐、低剂量或正常剂量的BTNP（称为LDNP和NDNP组）治疗的小鼠的骨量增加。与在NDNP组中，BMC显著高于阿仑膦酸盐组（图5c）。图5d和e发现，与OVX组相比，BTNP可显著增强BMD和BV/TV，表明BTNP具有治疗效果。此外，通过评估股骨的机械强度，发现BTNP的应用可增加骨的机械性能，证明BTNP治疗效果优于阿仑膦酸盐（图5f）。通过切片染色评估骨形成和吸收，如图5g所示，阿仑膦酸盐和BTNP均能改善骨形成活性（图5h）。对血浆指数（包括PINP、OT/BGP和OSCAR）进行评估，发现，BTNP正调节骨代谢，增强骨形成，并抑制骨吸收（图5 k-m）。图5：BTNPs 有效改善OVX 诱导小鼠模型中的骨质流失。（a） 体内试验时间线示意图。（b）实验小鼠股骨远端的显微CT重建图像以及BMC（c）、BV/TV（d）和BMD（e）的定量结果。（f）实验小鼠股骨三点弯曲试验。（g）实验小鼠骨切片的Masson染色和%0.Pm（h）的定量结果。（i）实验小鼠骨切片的TRAP染色和%Er.Pm的定量结果。通过Elisa测试评估相关血清蛋白表达，包括PINP（k）、OT/BPG（1）和OSCAR（m）。
综上所述，IONPs可作为体内抗氧化剂调节骨代谢，并成功制备了一种新型的基于阿仑膦酸盐的骨靶向离子交换剂。IONPs和阿仑膦酸盐协同发挥治疗作用，显著改善了骨密度和微结构，显示出很好的临床应用潜力。
02
论文第一/通讯作者简介
第一作者：郑力铭
博士毕业于南京大学医学院。现于浙江大学医学院附属第二医院从事骨科临床及基础研究工作。
通讯作者：王鹏
助理研究员，从事纳米材料的生物学性质及其在骨科疾病方面的研究，围绕纳米材料的构建及其在骨生物学性质，探索生物材料的性质与生物学效应的对应关系，在可控组装的生物学器件、多功能骨/软骨修复支架的构建等方面取得一些研究成果。至今在Advanced Materials、Bioactive Materials、Smart Materials in Medicine、Materials & Design等杂志发表SCI论文30余篇，获得国家自然科学基金青年基金一项。申请发明专利3项，授权2项。
通讯作者：李澜
助理研究员，研究方向为生物3D打印技术及相关生物材料在骨及软骨组织工程中的应用，近五年来在Nature Communications, Bioactive Materials, Journal of Advanced Research, Composites Part B等杂志发表SCI 论文 50 余篇，被引超过1000次，H指数17，i10指数23。取得与 3D 打印相关的授权专利 9 项，PCT专利 1 项。
通讯作者：蒋青
南京大学医学院附属鼓楼医院运动医学与成人重建外科行政主任，主任医师，教授，博士生导师，国内运动医学专业唯一的国家杰出青年基金获得者。是国内第一个在国际关节炎协会（OARSI）任职理事的学者，担任SICOT中国分会基础研究分会副主任委员、国际软骨损伤修复学会（ICRS）中国分会副主委。中华医学会运动医疗分会副主委、中国医师协会运动医学分会副会长、江苏省医学会骨科分会候任主任委员、江苏省运动医疗分会前任主任委员。主要从事运动系统疾病基础和临床研究，以通信作者在Cell Metabolism，Annals of the Rheumatic Diseases，Science Translational Medicine，PNAS，Nature Communications，Advance Materials等本领域有影响力的学术期刊上发表论文200余篇，总引用7000余次。
03
资助信息
该工作得到国家自然科学基金重点项目（81730067）、国家自然科学基金重大项目（81991514）、国家自然科学基金（81802135、82002370）、江苏省重点医学中心基金、江苏省医学杰出人才基金、江苏省医学青年人才基金、江苏省医学重点人才基金、中央高校基本科研业务费专项资金（14380493、14380494）、中国博士后科学基金（2019M661806、2020M671456）、江苏省自然科学基金（BK20200117、BK20200121），江苏省创新创业计划，江苏省博士后科研支持项目（2021K059A），南京大学博士生创新计划（CXYJ21-62）的支持。
04
原文信息
Liming Zheng, Zaikai Zhuang, Yixuan Li, Tianshu Shi, Kai Fu, Wenjin Yan, Lei Zhang, Peng Wang, Lan Li, Qing Jiang.
Bone targeting antioxidative nano-iron oxide for treating postmenopausal osteoporosis.
Bioactive Materials, 14, (2022) 250-261.
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Bioactive Materials是一本高质量英文期刊，目前已经被SCIE、PubMed Central、Scopus、Embase收录。同时本刊还入选了2019年中国科技期刊卓越行动计划--“高起点新刊”项目。
2022年Bioactive Materials 获得影响因子16.874 ，在Materials Science，Biomaterials领域排名第一。
位于《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区表》1区，TOP期刊。
CiteScore 2021: 14.3。