Local H? release remodels senescence microenvironment for improved repair of injured bone  

局部 H 2 釋放重塑衰老微環(huán)境，改善受損骨的修復(fù)

來源：Nature Communications，Published online: 27 November 2023  

 

摘要核心內(nèi)容

 

本文提出一種局部緩釋氫氣（H?）策略，通過改造衰老微環(huán)境（SME）促進(jìn)老年骨損傷修復(fù)。研究發(fā)現(xiàn)：  

H?的雙重作用：在衰老骨骼細(xì)胞中，持續(xù)H?供給可同時(shí)發(fā)揮抗炎和抗衰老效應(yīng)。  

 

創(chuàng)新支架設(shè)計(jì)：開發(fā)了聚羥基脂肪酸酯（PHA）包裹硅化鈣納米顆粒（CSN）負(fù)載的中孔生物活性玻璃支架（CSN@PHA-MBG），實(shí)現(xiàn)高劑量H?緩釋（911 mL/g，持續(xù)7天）。  

 

機(jī)制闡明：H?通過重塑SME（巨噬細(xì)胞向抗炎表型極化、降低SASP因子分泌）增強(qiáng)內(nèi)源性細(xì)胞招募與再生能力。  

 

動物驗(yàn)證：在老年小鼠臨界尺寸骨缺損模型中，支架顯著促進(jìn)骨再生。

 

研究目的

驗(yàn)證持續(xù)H?供給對多種衰老細(xì)胞（BMSCs、巨噬細(xì)胞、骨細(xì)胞）的抗炎及抗衰老作用。  

 

開發(fā)一種能局部緩釋高劑量H?的生物支架，解決傳統(tǒng)給氫方式（富氫水/吸入）的局限性。  

 

探究H?支架重塑SME的機(jī)制（巨噬細(xì)胞極化、SASP調(diào)控）。  

 

評估支架在老年骨缺損模型中的促修復(fù)效果。

 

研究思路

體外驗(yàn)證：分離老年小鼠骨骼細(xì)胞（BMSCs、巨噬細(xì)胞、骨細(xì)胞），在60% H?培養(yǎng)箱中持續(xù)處理7天，檢測衰老標(biāo)志物（ROS/p16/SA-β-gal）、炎癥因子（IL-6/IL-1β）及再生能力變化。  

 

支架構(gòu)建：  

 

合成CaSi?納米顆粒（CSN）作為高產(chǎn)能氫前藥（104.2 mg/g）。  

 

通過靜電噴涂將PHA包裹的CSN負(fù)載于中孔生物活性玻璃（MBG），形成CSN@PHA-MBG支架。  

支架表征：測試H?釋放曲線、生物相容性及降解特性。  

 

體內(nèi)驗(yàn)證：建立24月齡小鼠股骨缺損模型，植入支架后分析：  

 

SME重塑：巨噬細(xì)胞極化（iNOS/Arg1）、SASP因子（IL-6/IL-1β）、衰老細(xì)胞清除（p16?）。  

 

再生效果：BMSCs招募（LepR?）、血管生成（CD31?Emcn?）、骨形成（鈣黃綠素/茜素紅標(biāo)記）。  

機(jī)制整合：通過細(xì)胞因子陣列、流式細(xì)胞術(shù)、免疫熒光等多維度數(shù)據(jù)解析H?作用通路。

 

測量數(shù)據(jù)、研究意義及來源

細(xì)胞衰老與炎癥指標(biāo)

 

數(shù)據(jù)來源：圖1  

 

研究意義：  

 

證實(shí)H?顯著降低衰老標(biāo)志物（ROS↓52%、p16↓40%、SA-β-gal↓60%）和促炎因子（IL-6↓45%、IL-1β↓38%），為抗炎-抗衰老聯(lián)合機(jī)制提供依據(jù)。  

 

H?維持BMSCs成骨分化能力（Runx2↑3.2倍），逆轉(zhuǎn)衰老導(dǎo)致的再生功能障礙。

支架性能與H?釋放動力學(xué)

 

數(shù)據(jù)來源：圖2  

 

研究意義：  

 

丹麥Unisense微電極（50μm）精確監(jiān)測顯示：CSN@PHA-MBG在PBS中緩釋H?達(dá)7天，體內(nèi)釋放持續(xù)9天。  

 

緩釋特性覆蓋骨修復(fù)炎癥期與血管生成期，解決傳統(tǒng)給氫方式半衰期短（≤30分鐘）的瓶頸。

巨噬細(xì)胞極化與SASP調(diào)控

 

數(shù)據(jù)來源：圖3  

 

研究意義：  

 

支架植入后M2型巨噬細(xì)胞比例↑40%（對照組15%），促炎因子IL-6/IL-1β↓50%（圖3j, k）。  

 

證明H?通過重編程免疫微環(huán)境（M1→M2）抑制慢性炎癥。

內(nèi)源性細(xì)胞招募與血管生成

 

數(shù)據(jù)來源：圖5  

 

研究意義：  

 

CSN@PHA-MBG組BMSCs招募量↑2.8倍（圖5f），衰老BMSCs比例↓70%（圖5h）。  

 

H?促進(jìn)CD31?Emcn?型H血管生成（↑3.1倍），耦合骨祖細(xì)胞（Osterix?）激活（圖5j, k）。

骨再生效果

 

數(shù)據(jù)來源：圖6  

 

 

研究意義：  

 

微型同步輻射CT（SRμCT）顯示：支架組骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）↑2.5倍，骨小梁數(shù)量（Tb.N）↑2.1倍（圖6e, g）。  

 

動態(tài)骨標(biāo)記證實(shí)礦化速率↑80%（圖6b），實(shí)現(xiàn)老年骨缺損高效再生。

 

丹麥Unisense微電極數(shù)據(jù)的核心意義

 

使用50μm Unisense微電極實(shí)時(shí)監(jiān)測H?釋放動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)：  

精準(zhǔn)藥代動力學(xué)參數(shù)：  

 

體外PBS中H?釋放半衰期達(dá)96小時(shí)（圖2f），體內(nèi)骨組織釋放持續(xù)9天（補(bǔ)充圖23），遠(yuǎn)超富氫水（≤30分鐘）。  

 

機(jī)制關(guān)聯(lián)性驗(yàn)證：  

 

緩釋曲線與巨噬細(xì)胞極化時(shí)間窗（3-7天）高度匹配（圖3），解釋為何短期給氫無效。  

治療優(yōu)勢量化：  

 

局部H?濃度峰值達(dá)1.28 mM（相當(dāng)于飽和溶解度的6倍），突破H?低溶解度的限制，為高效抗炎提供劑量基礎(chǔ)。

 

結(jié)論

H?的雙效機(jī)制：持續(xù)H?供給通過抑制ROS和SASP，同步實(shí)現(xiàn)抗炎（巨噬細(xì)胞M2極化）和抗衰老（p16?細(xì)胞清除）。  

 

支架創(chuàng)新性：CSN@PHA-MBG支架實(shí)現(xiàn)局部高劑量H?緩釋，突破傳統(tǒng)給氫方式的局限。  

 

微環(huán)境重塑：H?將SME從促炎狀態(tài)逆轉(zhuǎn)為促再生狀態(tài)，增強(qiáng)BMSCs招募/成骨分化能力。  

 

治療意義：支架使老年骨缺損再生效率↑2.5倍，為衰老相關(guān)組織修復(fù)提供新策略。