Rejuvenating Aged Bone Repair through Multihierarchy Reactive Oxygen Species-Regulated Hydrogel

通過多層次活性氧調節水凝膠恢復衰老骨骼修復的活力


來源：Adv. Mater. 2024, 36, 2306552


1. 論文摘要核心內容


問題背景：衰老導致活性氧（ROS）過度積累，引發氧化應激，破壞骨髓間充質干細胞（BMSCs）功能，阻礙老年骨缺損修復。

解決方案：開發一種可注射的 PSeR水凝膠（由PEGS-PGA水凝膠負載雷帕霉素的聚二硒化物納米膠束構成），通過三級ROS清除機制：

細胞外ROS清除：水凝膠羧基螯合Fe2?，抑制·OH生成（圖2e-g）。


細胞內ROS清除：ROS響應型納米膠束釋放雷帕霉素，清除胞內ROS（圖1g-h）。

持續抗氧化：雷帕霉素誘導自噬，維持ROS平衡（圖3i-j）。

成果：水凝膠恢復衰老BMSCs的自我更新和成骨能力，顯著促進老年小鼠骨缺損再生（圖7）。



2. 研究目的


核心目標：解決衰老骨修復中 細胞內/外ROS同步清除 的難題。

具體需求：

敏感響應衰老微環境的高ROS水平。

同時調控細胞內外ROS，打破衰老惡性循環。

恢復衰老BMSCs功能，促進骨再生。


3. 研究思路


采用 三級ROS調控策略（Scheme 1）：


材料設計：

SeR納米膠束：聚二硒化物共聚物（mPEG-b-P(TMC-co-MSeSe)）負載雷帕霉素，實現ROS響應性藥物釋放（圖1a-d）。

PEGS-PGA水凝膠：通過氨基-羧基交聯形成可注射支架，負載SeR膠束（圖2a-c）。

作用機制：

細胞外：水凝膠羧基螯合Fe2?，減少·OH生成（圖2e-g）。

細胞內：納米膠束靶向遞送雷帕霉素，清除ROS并誘導自噬（圖3）。

功能驗證：

體外：逆轉BMSCs衰老，增強成骨分化（圖4）。

體內：促進老年小鼠骨再生（圖7）。


4. 關鍵數據及研究意義

（1）材料表征數據


圖1g-h：SeR納米膠束在低濃度H?O?（10 μM）下15分鐘內釋放>98%雷帕霉素，證明其 高ROS響應性。

圖2e-g：P水凝膠通過Fe2?螯合減少·OH生成（XPS證實Fe2?結合），降低細胞外ROS。

圖2j：PSeR水凝膠在100 μM H?O?中緩釋雷帕霉素（4天>80%），適合長期治療。


（2）體外功能數據


圖3a-b（Unisense電極數據）：

數據內容：使用丹麥Unisense微電極系統（PXF2078）測量年輕/老年大鼠血清的 氧化還原電位。

結果：老年血清電位顯著高于年輕組，表明 氧化應激增強；P/PSe水凝膠處理使老年血清電位接近年輕水平。

研究意義：直接量化細胞外微環境的氧化狀態，證實水凝膠通過螯合Fe2?有效改善細胞外氧化應激，為調控衰老微環境提供關鍵證據。

圖3d-e：流式細胞術顯示PSeR處理使衰老BMSCs的ROS水平降至年輕細胞水平。

圖3i-k：Western blot顯示PSeR降低DNA損傷標志物γH2A.X 80%，上調自噬蛋白LC3II。

圖4d-g：ALP/ARS染色證實PSeR顯著提升衰老BMSCs的成骨分化能力。


（3）體內再生數據


圖6a-b：DHE熒光顯示PSeR組骨缺損部位ROS降低70%（vs 對照組）。

圖6c-d：免疫熒光顯示PSeR使衰老BMSCs（p16?LepR?）比例從25.6%降至8.2%。

圖7d-e：Micro-CT顯示PSeR組骨體積分數（BV/TV）提升2.75倍，骨小梁數量（Tb.N）增加。


5. 結論


材料創新：PSeR水凝膠首次實現 細胞內/外ROS同步清除 和 自噬誘導 的三級調控。

機制突破：

逆轉BMSCs衰老：通過清除ROS、修復DNA損傷（降低γH2A.X）、促進自噬。

轉錄組分析（圖5）：上調DNA復制（Mcm2-7）和細胞周期基因，恢復細胞增殖能力。

治療價值：顯著促進老年小鼠骨再生（8周完全修復），為退行性骨病提供新策略。


丹麥Unisense電極數據的深度解讀


技術原理：Unisense微電極通過測量溶液氧化還原電位（Eh），直接反映 綜合氧化應激狀態（正值增大=氧化增強）。

關鍵發現（圖3a-b）：

老年血清Eh顯著高于年輕血清 → 證實衰老伴隨 細胞外微環境氧化。

P/PSe水凝膠使老年血清Eh接近年輕水平 → 水凝膠通過Fe2?螯合有效改善細胞外氧化應激。

研究意義：

彌補傳統方法（如DCFH-DA）僅檢測細胞內ROS的局限，首次量化 細胞外微環境整體氧化狀態。

為水凝膠的 細胞外ROS清除機制 提供直接證據，支撐其“多層級調控”的設計理念。

建立衰老微環境的客觀評價指標，為后續退行性疾病研究提供新方法。


總結：該研究通過創新的三級ROS調控水凝膠，突破性解決衰老骨修復中ROS同步清除難題，Unisense電極數據為細胞外微環境調控提供了關鍵證據，具有重要理論和臨床價值。