微環(huán)境響應性多功能酶聯(lián)水凝膠用于糖尿病骨缺損再生
文獻信息
四川大學華西醫(yī)院骨科研究所骨科、中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九四五醫(yī)院藥學部等團隊的研究成果“Microenvironment-responsive multifunctional enzyme-linked hydrogel for diabetic bone defect regeneration”（微環(huán)境響應性多功能酶聯(lián)水凝膠用于糖尿病骨缺損再生）在學術(shù)期刊《Nature communications 》（IF=15.7）上發(fā)表。平生公司的小動物離活一體CT（型號：NEMO）產(chǎn)品在論文中提供了重要的大鼠顱骨CT圖像和定量分析。
該研究的通訊作者為周宗科、曾偉南教授。第一作者為付曉雪、羅振宇。
文獻摘要
糖尿病（DM）骨缺損由于高血糖、慢性炎癥和失調(diào)的骨重塑而面臨受損的愈合，然而現(xiàn)有的治療缺乏針對這些相互關(guān)聯(lián)的問題的綜合策略。本文中，設計了葡萄糖/ROS響應性多功能水凝膠（AAT-ZCG），其整合了單寧酸（TA）介導的動態(tài)硼酸酯鍵和包含鈰-唑來膦酸-葡萄糖氧化酶（ZCG）的級聯(lián)納米酶。該水凝膠能夠在DM微環(huán)境中刺激響應性釋放TA和ZCG，通過葡萄糖氧化酶介導的催化消耗葡萄糖，并通過鈰介導的ROS清除減輕炎癥。此外，ZCG調(diào)節(jié)巨噬細胞極化，刺激血管生成并增強骨生成。酸性副產(chǎn)物觸發(fā)ZCG降解，釋放唑來膦酸以抑制破骨細胞的過度活化。轉(zhuǎn)錄組學分析顯示上調(diào)的叉頭盒O 1轉(zhuǎn)錄因子，AAT-ZCG是骨代謝和炎癥的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。該平臺同時解決了DM骨缺損中的關(guān)鍵介質(zhì)，克服了單靶點方法的局限性。通過整合多功能反應，AAT-ZCG為DM骨缺損再生提供了簡潔而有效的策略。
大鼠顱骨缺損模型建立
使用鏈脲佐菌素（STZ）誘導在大鼠中建立I型糖尿病模型。Sprague-Dawley大鼠以30 mg/kg的單劑量腹膜內(nèi)注射2%STZ溶液。注射后，將大鼠置于高糖環(huán)境中，通過空腹血糖≥16.7 mmol/L（提示胰島素抵抗）證實糖尿病模型成功誘導。對于顱骨缺損模型，使用小動物麻醉劑4%異氟烷麻醉大鼠。在頭皮上從鼻骨至正中矢狀嵴或前囟的尾部做約2cm的切口，然后鈍性剝離皮下組織，用環(huán)鋸在頂骨兩側(cè)造成直徑5 mm、深1mm的骨缺損，滴注生理鹽水以防止熱損傷并沖洗顱骨。將動物分為5組：空白組、AAT組、AATGOx組、AAT-ZC組、AAT-ZCG組，空白組顱骨缺損不進行處理，其余各組均采用不同材料處理，每組4只，每個終點依次閉合骨膜和皮膚切口。在飼養(yǎng)期間每兩天更換一次墊料以防止污染。在第4、8和12周收集顱骨樣品進行分析。
Micro-CT分析
Micro-CT掃描在大鼠安樂死后，分離顱骨并固定在4%多聚甲醛中，使用Micro-CT（平生醫(yī)療科技有限公司）進行樣品掃描和分析。將顱骨置于樣品管中，并在70 kV下掃描，分辨率設置為25 μm。重建顱骨，計算各組大鼠顱骨缺損部位骨再生程度，包括骨體積/組織體積（BV/ TV）和骨表面/骨體積（BS/BV）。
實驗結(jié)果
CT成像分析表明，術(shù)后4周和8周時，AAT-ZCG水凝膠在促進顱骨缺損愈合方面具有卓越功效（圖8 C）。放射學評估顯示缺損區(qū)域內(nèi)進行性骨再生，其特征為放射密度增加和逐漸缺損與新形成的骨組織橋接。在4周時，如與空白相比，AAT和AAT-ZC治療均適度增強骨修復， BV/TV值改善（AAT：0.41 ± 0.01，AAT-ZC：0.45 ± 0.01）;然而，它們的效果明顯不如用AAT-ZCG水凝膠觀察到的效果顯著。AAT-ZCG組在缺損區(qū)域顯示出顯著更高的放射密度，BV/TV值升高（0.49 ± 0.01），BS/BV值降低（7.72 ± 0.18），表明骨生成穩(wěn)健，骨表面更光滑、成熟。到8周時，與其他組相比，用AAT-ZCG治療的顱骨缺損的CT成像顯示了最實質(zhì)性的缺損閉合。缺損區(qū)放射密度均勻，骨邊緣整合良好，表明骨再生有效（圖8C）。定量分析證實了最佳BV/TV（0.67 ± 0.01）和BS/BV的進一步降低（10.21 ± 0.39），反映了晚期骨重塑和再生（圖8D-E）。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了AAT-ZCG水凝膠促進有效和結(jié)構(gòu)上上級顱骨修復的能力，確立為顱骨再生中有前景的治療策略。
圖8 | AAT-ZCG的體內(nèi)治療效果評價。C不同治療組中4周和8周時糖尿病顱骨缺損大鼠的CT圖像。D每個治療組8周時的BV/TV結(jié)果。E每個治療組8周時的BS/BV結(jié)果。
本研究開發(fā)的AAT-ZCG水凝膠通過其濕粘附和自愈合特性有效地穩(wěn)定并長時間保留在DM骨缺損區(qū)域。通過響應DM骨缺損的病理微環(huán)境，該材料啟動級聯(lián)催化反應，有效地降低血糖水平并消除ROS。體內(nèi)外實驗表明，AAT-ZCG能有效促進BMSCs的成骨分化，抑制破骨細胞活性，恢復骨代謝平衡。此外，它還能增強HUVEC中的血管生成，并通過調(diào)節(jié)巨噬細胞極化來調(diào)節(jié)免疫反應。此外，RNA測序顯示AAT-ZCG顯著上調(diào)FoxO1的表達，F(xiàn)oxO1是維持骨代謝平衡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。在糖尿病大鼠模型中進行的組織學分析和血液測試證實了水凝膠的生物相容性和降解特性。顯微CT和組織學評估表明，AAT-ZCG顯著增強糖尿病條件下的骨再生和缺損愈合，優(yōu)于對照組。
綜上所述，AAT-ZCG水凝膠為DM骨缺損提供了全面而有效的解決方案。這項研究突出了微環(huán)境響應性生物材料在解決糖尿病骨再生多方面挑戰(zhàn)方面的潛力，并為骨科醫(yī)學中精確治療的發(fā)展提供了范例。
Micro CT (型號：NEMO) (平生醫(yī)療科技)
影像軟件：Avatar（平生醫(yī)療科技）
