【人物与科研】南昌大学王小磊和罗军合作ACS Nano：以电影“流浪地球”为灵感开发的骨质疏松逆转方案

导语

骨质疏松症（osteoporosis，OP）是一种以骨量低下、骨微结构损坏为特征的全身性骨代谢性疾病，其可导致骨脆性增加，从而引起骨质疏松性骨折。OP发病隐匿，多发生于老年人。50岁以上的人群中，女性OP患病率大约为50%，男性大约为20%，一旦发生，目前的治疗手段难以有效逆转。OP严重影响了患者的健康，同时给患者家庭和医疗系统均带来了巨大的经济负担，已被世界卫生组织列为全球性的重大问题之一。

图1. 正常骨组织（左）和骨质疏松骨组织（右）

（来源：ACS Nano）

研究表明，一氧化氮（NO）是一种参与包括骨重建在内的体内多种生理活动的气体信号分子，其可促进成骨细胞的增殖及分化。虽然理论上口服NO供体可以在一定程度上逆转骨质疏松，但NO的半衰期较短且扩散性较差，并且在骨组织内难以得到精准释放。因此，将NO用于骨质疏松目前仍存在较大的挑战。此外，NO的高效和精准释放通常需要利用短波长的蓝/紫光照射NO供体才能实现，而蓝/紫光在人体内的穿透深度是极其有限的。能有效穿透人体组织的光源只有长波长的近红外光（NIR），但这种光并不能激发供体释放NO，这使得骨质疏松的治疗陷入困境。

电影《流浪地球》除了给我们带来了巨大的视觉上的盛宴外，还给我们带来了许多的人生的思考。在《流浪地球》中，刘培强（吴京饰）驾驶空间站撞向木星并将其“点燃”，利用“撞击”产生的巨大能量将被木星“捕获”的地球从木星轨道成功推出，进而拯救了地球。从电影《流浪地球》获得灵感，南昌大学王小磊教授联合南昌大学第二附属医院罗军教授开发出一种基于上转换纳米材料（UCNPs）的复合材料，通过NIR光的“照射”，将UCNPs“点亮”，激发被“负载”的NO供体释放NO，进而实现精准、高效逆转骨质疏松的作用。相关成果近期以题为“Near-Infrared Light and Upconversion Nanoparticle Defined Nitric Oxide-Based Osteoporosis Targeting Therapy”发表在材料化学类期刊ACS Nano（DOI: 10.1021/acsnano.1c04974）上。

图2. 电影《流浪地球》：利用空间站转换木星的能量推动地球

（来源：电影截图）

图3. 实验原理图：利用上转换纳米材料转化NIR光的能量逆转骨质疏松

（来源：ACS Nano）

王小磊教授课题组简介

图4. 王小磊教授课题组合照

自2017年进入南昌大学光健康双一流学科特区后，课题组长期致力于光响应材料在生物医学领域的应用，是目前江西省内唯一汇聚了化学、药学、生物学、转化医学、材料学以及临床医学（消化科、神经外科、血管外科、骨科、康复科、口腔、整形等），“理工医”多方向专业研究生的交叉融合的研究平台。其中光控无损牙齿美白、光控雄性可逆避孕以及光控氧化锌高效抗菌等技术获得国内/国际相关专利，并先后与许布医疗、中国国药集团、广源化工等多家公司开展成果转化。2021年团队获首届“江西省医学科技奖一等奖”及首届“江西青年科技奖”。

王小磊教授与罗军教授简介

图5. 王小磊教授与罗军教授

王小磊，南昌大学未来科技学院院长，发改委生物工程药物及其技术国家地方联合中心副主任、二级研究员教授，人社部国家级百千万人才、国家有突出贡献中青年专家、教育部青年长江学者、江西省九三学社青工委副主任、江西省省青年科技协会会长。主要研究方向为光响应材料在生物医药领域的应用，以第一作者或通讯作者在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano等国际顶尖期刊发表论文67篇。与德国西门子和中国国药集团等国内外公司合作申请专利20项，并获2类医疗器械注册证一份。获省自然科学学术成果奖一等奖、二等奖和省医学技术奖一等奖各一次。

罗军，南昌大学第二附属医院副院长，二级教授，国务院津贴获得者，江西省卫生计生突出贡献中青年专家，江西省百千万工程人选，江西省学术学科和技术带头人。江西省骨与神经再生工程研究中心主任，中国中西医结合脊柱专业委员会副主任委员，中华医学会物理医学与康复医学全国委员，江西省医学会物理医学与康复医学分会主任委员，江西省中西医结合学会脊柱专业委员会主任委员，江西省运动医学会主任委员，江西省康复医学会副会长，江西省中医药学会推拿与养生分会主任委员，现主持国家重大课题项目（资助金额为1243万）一项，在研国家自然科学基金项目两项，江西省科技厅等科研项目十余项，以通讯作者在Advanced Materials、ACS Nano等国际顶尖期刊发表论文20余篇，编写专著3部，专利1项。在康复微创治疗骨骼系统疾病方面曾获得江西省科学技术进步二等奖，2019年荣获江西省自然科学三等奖。

前沿科研成果

近红外光联合上转换纳米颗粒靶向治疗骨质疏松

骨质疏松症是影响骨代谢的最常见疾病之一，影响全球超过2亿人，且由于人口老龄化的增加，骨质疏松的发病率仍在上升。它的特征在于骨量减少、骨微结构退化、骨脆性增加以及与巨大发病率和死亡率相关的高骨折风险。一氧化氮（NO）是一种参与成骨的内源性气体信号分子，可以有效促进成骨细胞的增殖和分化。虽然外源性NO在一定程度上可以逆转骨质疏松，但NO短暂的半衰期和较短的扩散半径严重限制了其应用。为此，南昌大学王小磊教授团队联合南昌大学第二附属医院康复医学科罗军教授开发了一种具有骨靶向功能的基于上转换纳米粒子（UCNPs）和长波长近红外光（NIR）的NO气体治疗平台（UCPA-BNN），其具体治疗过程如图6所示，UCPA可以特异性螯合骨组织中的钙离子从而靶向至体内组织；另一方面，在808 nm NIR的照射下，UCNPs可以将NIR光转换为 蓝/紫光以激发NO前体药物BNN，进而释放NO。在骨组织内精准、高效释放NO可有效地促进成骨细胞的分化和骨的形成，从而达到良好的治疗骨质疏松的效果。

图6. 治疗过程示意图

（来源：ACS Nano）

接下来，团队对合成的材料进行了表征图（7），通过透射电镜（TEM），X射线衍射仪（XRD），傅里叶红外光谱（FTIR）和荧光光谱（UCL）等分析证明了UCPA的成功制备。

图7. UCPA纳米粒子的表征

（来源：ACS Nano）

随后，团队对材料的载药能力和NO控释能力进行了探究，如图8所示，该研究通过调节NIR光的开关和强度来实现NO的精准和可控释放；此外，细胞实验证明了UCPA-BNN可以被成骨细胞摄取，从而实现胞内释放NO。

图8. NO的按需释放和细胞内释放行为

（来源：ACS Nano）

纳米粒子通过阿仑膦酸钠的修饰，从而具备了骨组织靶向的能力，如图9所示，体外（羟基磷灰石模拟骨微环境）和体内的骨靶向实验分别验证了UCPA良好的骨靶向性，良好的骨靶向能力为体内逆转骨质疏松的应用奠定了扎实的基础。

图9. 体外和体内靶向实验

（来源：ACS Nano）

接着，该团队进一步验证了该体系的体外成骨特性。如图10所示，研究发现，当NO前体和光照均存在的条件下，成骨细胞表现出良好的分化和促成骨能力，表明NO才是促进成骨的主要因素。

图10. UCPA-BNN的体外成骨特性

（来源：ACS Nano）

最后，该团队进行了动物实验，如图11所示，骨质疏松小鼠在使用UCPA-BNN和NIR照射处理后，腰椎（L3）和股骨远端的骨质疏松情况得到了良好的改善，表明骨质疏松得到了有效的逆转。

图11. UCPA-BNN的体内逆转骨质疏松作用研究

（来源：ACS Nano）

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