骨质疏松性骨缺损是指骨质疏松症患者骨结构完整性的破坏，并对整形外科医生提出了实质性的挑战。在临床实践中，自体骨仍是骨缺损的黄金标准治疗方法。然而，这种治疗方式的疗效受到供体部位可能出现的潜在并发症和有限资源的限制。
考虑到这些临床需求，骨组织再生的替代策略受到了更广泛的研究。在这项研究中，来自空军军医大学的周程沛/钱济先/郭征/高全有等人开发了一种仿生水凝胶，以改善成骨微环境，促进干细胞归巢。作者使用钙离子改变海藻酸钠（SA）硬度，以改善BMSCs的旁分泌特性，可以促进成骨和血管生成的耦合，并具有免疫调节功能。
相关研究成果以“Stem cell–homing biomimetic hydrogel promotes the repair of osteoporotic bone defects through osteogenic and angiogenic coupling”为题于2024年11月1日发表在《Science Advances》上。
骨质疏松性骨缺损问题：骨质疏松导致的骨缺损（创伤、肿瘤、感染），愈合速度缓慢，且面临骨不连等风险，给治疗带来巨大挑战。据统计，全球每年约发生 900 万例骨质疏松性骨折，平均每 4 秒就有 1 例，此类骨缺损的修复需求极为迫切。
传统治疗局限性：自体骨移植—骨缺损治疗金标准，但存在供区潜在并发症（如疼痛、感染、骨量减少等）以及供体资源有限的问题，难以满足大量患者的治疗需求，因此亟需开发替代的骨组织再生策略。
血管生成与成骨耦合作用减弱：骨骼中 H 型血管能介导血管周围成骨细胞分化，实现血管生成与成骨的耦合。然而，骨质疏松症会导致H型内皮细胞数量减少，影响骨修复过程。
一氧化氮（NO）的调控作用受限：NO 可通过激活 NO / 环磷酸鸟苷（cGMP）信号通路，促进BMSCs成骨分化，同时调节血管干 / 祖细胞，促进成骨过程。然而，由于NO靶向性不足，限制了其在骨修复中的应用。
骨髓间充质干细胞（BMSCs）功能受损：BMSCs 通过旁分泌效应，调控血管生成、免疫反应及细胞分化，促进成骨过程。但骨质疏松状态下，BMSCs 出现衰老特征，加剧了骨缺损修复的难度。
该团队开发了一种兼具成骨和成血管耦合功能以及免疫调节特性的仿生纳米材料——干细胞归巢仿生水凝胶（SA-MSNs@CM-Stiff），为骨质疏松性骨缺损修复提供了一种新型策略。解决骨质疏松性骨缺损修复中的关键问题，具体如下：
1.靶向递送 NO 供体，激活 NO/cGMP 信号通路
2.修饰干细胞归巢肽，募集内源性 BMSCs
3.调控水凝胶力学性能，优化 BMSCs 旁分泌功能
干细胞归巢仿生水凝胶（SA-MSNs@CM-Stiff）制备步骤：
(1)合成MSNs（介孔硅纳米颗粒）；(2)将GSNO（S-亚硝基谷胱甘肽）吸附到MSNs中的介孔通道上；(3)超速离心BMSCs和HUVECs提取CMs；(4)将预萃取的CM挤压包覆到MSNs表面，得到MSNs@CM；(5)多巴胺共价修饰SA；(6)MSNs@CM，SA，BMHP，Ca2+ → SA-MSNs@CM-Stiff。
1.骨质疏松BMSCs表现出衰老特性，成骨能力下降（动物造模）作者首先描述了源于骨质疏松大鼠的骨髓间充质干细胞（BMSCs）的老化特征。首先，通过CT扫描发现这些大鼠的骨量、骨板厚度和骨板数量显著减少。使用H&E和Masson染色说明了大鼠明显的骨质疏松症状。此外，流式细胞仪分析显示，这些BMSCs表面标记物如CD44和CD90表达水平改变，而CD34和CD45的表达水平较低，显示出其干细胞特性的减弱。此外，作者研究还使用碱性磷酸酶（ALP）染色、红油O染色等方法评估了这些BMSCs的成骨、成软骨和成脂肪的分化能力，发现成骨和成软骨能力下降，而成脂肪能力增加（图2E和2F）。通过蛋白表达分析，如P53、P21和P16等衰老相关因子的表达上升，进一步确认了这些细胞的老化状态。
这些发现表明，来源于骨质疏松大鼠的BMSCs在生物学特性和功能上显示出与年龄相关的变化，这对理解骨质疏松症的骨组织修复机制具有重要意义。
在研究的下一步中，作者对这些来自骨质疏松大鼠的BMSCs进一步评估了其成骨潜能。通过免疫荧光染色和西方印迹（Western blot）方法，检测了成骨标志物，如Runx2和OPN，结果显示这些标志物在骨质疏松组中的表达显著减少。碱性磷酸酶（ALP）活性的评估显示，与年轻或中年大鼠相比，骨质疏松大鼠的ALP活性较低。同时，通过ARS染色分析钙化结节的形成，发现骨质疏松组中钙化结节的大小和数量均减少，进一步确认了其成骨能力的显著降低。
2.材料表征
随后，作者介绍了介孔硅纳米颗粒（MSNs）和其细胞膜包覆形式（MSNs@CM）的制备，通过透射电镜（TEM）分析确认了其形态和尺寸，且通过动态光散射（DLS）方法评估了粒径和表面电荷。将MSNs与海藻酸钠（SA）结合制成的SA-MSNs@CM，通过调整钙离子浓度制备具有不同机械硬度的SA-MSNs@CM-Stiff。使用HUVECs和BMSCs进行细胞粘附实验，说明了改性水凝胶对细胞的支持能力，这对于促进细胞增殖和分化至关重要。水凝胶的压缩测试和SEM结果展示了不同硬度水凝胶的内部微观结构和弹性模量。SA-MSNs@CM-Stiff的机械性能和粘附能力在不同的外部机械力(例如弯曲和拉伸)下表现出柔性和柔软性。SA-MSNs@CM-Stiff水凝胶表现出良好的加工性能，并且容易获得各种形状。
3.SA-MSNs@CM-Stiff 通过激活 NO/cGMP 通路促进BMSCs成骨（体外）接着，作者进一步详细介绍了SA-MSNs@CM-Stiff水凝胶通过激活一氧化氮（NO）/环磷酸鸟苷（cGMP）信号通路促进体外成骨作用的研究结果。BMSCs通过间接接触与不同的水凝胶组共培养以确定水凝胶的生物相容性。结果表明SA-MSNs@CM和SA-MSNs@CM-Stiff组保持细胞处于更好的铺展状态。钙黄绿素-AM/碘化丙锭(PI)染色证明各种水凝胶组表现出良好的生物相容性。然后，作者测试了GSNO和Ca2+的持续和充足供应是否能够协同促进NO的产生和刺激下游信号传导。在共培养7天后，在SA-MSNs@CM和SA-MSNs@CM-Stiff组的BMSCs中观察到磷酸内皮一氧化氮合酶(P-eNOS)表达的显著增加。实验表明SA-MSNs@CM-Stiff可以增强BMSCs的成骨相关表型和功能。通过免疫荧光染色和蛋白质印迹分析，发现与对照组相比，SA-MSNs@CM-Stiff处理的BMSCs在成骨相关蛋白Runx2和OPN的表达上有显著提升，这表明SA-MSNs@CM-Stiff具有促进成骨分化的潜力。其次，该研究通过使用钙化染色如Alizarin Red S来评估成骨能力，结果显示SA-MSNs@CM-Stiff组的BMSCs显示出更多的钙沉积，与对照组相比有显著差异。这些结果表明，通过激活NO/cGMP信号通路，SA-MSNs@CM-Stiff能够有效地促进BMSCs的成骨活性和钙化过程。
4.SA-MSNs@CM-Stiff通过促进BMSCs在3D条件下旁分泌来调节巨噬细胞极化（体外）为了确定BMSCs旁分泌对巨噬细胞极化的影响，作者用BMSCs条件培养基处理了不同组的巨噬细胞。根据流式细胞术分析，SA-MSNs@CM-Stiff表现出明显更少的CD86+巨噬细胞。此外，SA-MSNs@CM-Stiff表现出显著更高比例的CD206+巨噬细胞。其他组相比，在SA-MSNs@CM-Stiff组中观察到CD86表达显著降低。与此相反，SA-MSNs@CM-Stiff明显表达更多的CD206。在蛋白质印迹实验中获得了类似的结果。相应地，极化的巨噬细胞显著上调血管生成因子VEGF-A和骨生成相关分子骨形态发生蛋白-2(BMP-2)的分泌。根据这些结果，BMSCs旁分泌可能调节巨噬细胞极化。
当1.SA-MSNs@CM-Stiff 可通过GSNO供给NO，并使用海藻酸钠（SA）释放Ca2+以促进NO生成，从而激活NO/cGMP信号通路，进而促进血管内皮细胞的迁移与血管生成。2.SA水凝胶与多巴胺共价修饰后，表现出更佳的生物相容性，并通过钙离子螯合提高了基质刚度，从而促进BMSCs的旁分泌功能。3.SA-MSNs@CM-Stiff 促进BMSCs的归巢和旁分泌效应，进而调控巨噬细胞的极化，促进组织修复而非炎症反应。
综上所述，SA-MSNs@CM-Stiff具有良好的成骨和促血管生成效果，并通过基质刚度调节实现免疫调节功能，预计将成为解决骨质疏松性骨缺损延迟或难愈合问题的重要工具，在骨组织工程和骨质疏松治疗中具有重要应用潜力。
注:本篇文章素材来源自网络，仅供参考学习。
