近期，南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京醫(yī)院姚慶強(qiáng)教授和東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院張薇副教授在科愛(ài)出版創(chuàng)辦的期刊 Bioactive Materials 上聯(lián)合發(fā)表文章：含金屬-有機(jī)框架納米酶的絲素凝膠用于增強(qiáng)骨-軟骨再生。該研究開(kāi)發(fā)了一種負(fù)載銅-單寧酸納米酶的多功能絲基水凝膠為骨-軟骨再生提供了抗炎、抗氧化和抗菌微環(huán)境，以提高骨-軟骨一體化修復(fù)再生。
1、研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介
關(guān)節(jié)軟骨損傷是臨床骨科和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)十分常見(jiàn)的疾病。由于缺乏血液供應(yīng)、淋巴循環(huán)和神經(jīng)支配，軟骨損傷后難以自身修復(fù)甚至發(fā)展為骨關(guān)節(jié)炎?，F(xiàn)有的治療策略例如對(duì)植入體微結(jié)構(gòu)的控制或生長(zhǎng)因子的引入，功能局限而難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的局部組織病理微環(huán)境變化。因此骨-軟骨再生應(yīng)與微環(huán)境的改善有效結(jié)合，從而使植入體能更有效的發(fā)揮作用。絲素蛋白因其良好的生物相容性、可控的降解特性和優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度等特點(diǎn)，廣泛用于組織工程的基底材料。單寧酸是一種天然植物來(lái)源的多酚類(lèi)化合物，其活性酚羥基可與其他分子形成氫鍵等非共價(jià)鍵的連接，從而增強(qiáng)界面的粘附力。此外單寧酸還具有抗氧化、抗炎、抗菌等生物學(xué)功能。銅是人體重要的微量元素，參與了骨骼系統(tǒng)的發(fā)育及維持，含銅生物材料可以促進(jìn)干細(xì)胞的成骨分化以及軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的合成。本項(xiàng)目主要研究如何將單寧酸和納米銅以一定的比例調(diào)和形成金屬-有機(jī)框架納米酶，進(jìn)而聯(lián)合絲素蛋白合成新型復(fù)合凝膠材料，探究其對(duì)病理微環(huán)境的改善及促骨-軟骨再生修復(fù)的作用。
示意圖：含金屬-有機(jī)框架納米酶的絲素凝膠用于增強(qiáng)骨-軟骨再生
研究結(jié)果顯示金屬-有機(jī)框架納米酶具有表面光滑的納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。在辣根過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫的作用下，絲素蛋白溶液可交聯(lián)形成穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)。各組凝膠在掃描電鏡的觀察下呈現(xiàn)均勻的多孔結(jié)構(gòu)。金屬-有機(jī)框架納米酶的引入使復(fù)合凝膠體系較單純絲素凝膠具有增強(qiáng)的黏度和親水性，有助于植入體與周?chē)M織緊密整合及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換。
圖1 金屬-有機(jī)框架納米酶及復(fù)合絲素凝膠的制備和表征
CCK8與Live/dead實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，含金屬-有機(jī)框架納米酶的復(fù)合凝膠對(duì)體外培養(yǎng)的間充質(zhì)干細(xì)胞和軟骨細(xì)胞具有良好的生物相容性。由于單寧酸和納米銅是常用的抗菌材料，復(fù)合凝膠可在24h內(nèi)抑制金黃色葡萄球菌的增殖，這有利于凝膠植入后在局部形成抑菌的微環(huán)境。
圖2 復(fù)合凝膠的生物相容性和抗菌性能評(píng)估
含金屬-有機(jī)框架納米酶的復(fù)合凝膠可在體外有效清除活性氧自由基DPPH。在IL-1β和過(guò)氧化氫的分別刺激下，復(fù)合凝膠可以有效降低骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和軟骨細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)活性氧水平，降低活性氧對(duì)細(xì)胞的損傷。
圖3 復(fù)合凝膠的抗氧化能力評(píng)估
在體外模擬的炎癥微環(huán)境下，間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化顯著降低，同時(shí)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的沉積也有所減少。經(jīng)含金屬-有機(jī)框架納米酶的復(fù)合凝膠處理后，間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化以及軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的表達(dá)均能夠維持于較高水平。此外，Nrf-2/SOD-1、HO-1抗氧化通路的相關(guān)基因表達(dá)顯著提高。
圖4 復(fù)合凝膠的改善炎癥微環(huán)境的能力評(píng)估
蛋白組學(xué)分析表明，經(jīng)含金屬-有機(jī)框架納米酶的復(fù)合凝膠處理后，成骨相關(guān)通路蛋白和抗氧化相關(guān)蛋白的表達(dá)水平顯著提高，凋亡和炎癥相關(guān)通路下調(diào)，進(jìn)一步證實(shí)了復(fù)合凝膠發(fā)揮生物學(xué)功能的內(nèi)在機(jī)制。
圖5 蛋白組學(xué)分析
最后，在兔骨-軟骨全層缺損模型中植入復(fù)合凝膠12周后，大體評(píng)估、micro-CT和組織學(xué)分析（HE、S/O、甲苯胺藍(lán)染色，免疫組化）等結(jié)果表明，復(fù)合凝膠有效促進(jìn)了關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨的修復(fù)再生。
圖6 體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)
綜上所述，本研究制備了一種新型含金屬-有機(jī)框架納米酶的絲素凝膠，其通過(guò)在損傷部位發(fā)揮抗炎、抗氧化和抗菌作用，為骨-軟骨缺損的內(nèi)源性再生提供支持性微環(huán)境，以促進(jìn)骨-軟骨缺損一體化修復(fù)再生。
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
