微环境响应性多功能酶联水凝胶用于糖尿病骨缺损再生
2026-04-08 来源:本站 点击次数:162文献信息
四川大学华西医院骨科研究所骨科、中国人民解放军联勤保障部队第九四五医院药学部等团队的研究成果“Microenvironment-responsive multifunctional enzyme-linked hydrogel for diabetic bone defect regeneration”（微环境响应性多功能酶联水凝胶用于糖尿病骨缺损再生）在学术期刊《Nature communications 》（IF=15.7）上发表。平生公司的小动物离活一体CT（型号：NEMO）产品在论文中提供了重要的大鼠颅骨CT图像和定量分析。
该研究的通讯作者为周宗科、曾伟南教授。第一作者为付晓雪、罗振宇。
文献摘要
糖尿病（DM）骨缺损由于高血糖、慢性炎症和失调的骨重塑而面临受损的愈合，然而现有的治疗缺乏针对这些相互关联的问题的综合策略。本文中，设计了葡萄糖/ROS响应性多功能水凝胶（AAT-ZCG），其整合了单宁酸（TA）介导的动态硼酸酯键和包含铈-唑来膦酸-葡萄糖氧化酶（ZCG）的级联纳米酶。该水凝胶能够在DM微环境中刺激响应性释放TA和ZCG，通过葡萄糖氧化酶介导的催化消耗葡萄糖，并通过铈介导的ROS清除减轻炎症。此外，ZCG调节巨噬细胞极化，刺激血管生成并增强骨生成。酸性副产物触发ZCG降解，释放唑来膦酸以抑制破骨细胞的过度活化。转录组学分析显示上调的叉头盒O 1转录因子，AAT-ZCG是骨代谢和炎症的关键调节因子。该平台同时解决了DM骨缺损中的关键介质，克服了单靶点方法的局限性。通过整合多功能反应，AAT-ZCG为DM骨缺损再生提供了简洁而有效的策略。
大鼠颅骨缺损模型建立
使用链脲佐菌素（STZ）诱导在大鼠中建立I型糖尿病模型。Sprague-Dawley大鼠以30 mg/kg的单剂量腹膜内注射2%STZ溶液。注射后，将大鼠置于高糖环境中，通过空腹血糖≥16.7 mmol/L（提示胰岛素抵抗）证实糖尿病模型成功诱导。对于颅骨缺损模型，使用小动物麻醉剂4%异氟烷麻醉大鼠。在头皮上从鼻骨至正中矢状嵴或前囟的尾部做约2cm的切口，然后钝性剥离皮下组织，用环锯在顶骨两侧造成直径5 mm、深1mm的骨缺损，滴注生理盐水以防止热损伤并冲洗颅骨。将动物分为5组：空白组、AAT组、AATGOx组、AAT-ZC组、AAT-ZCG组，空白组颅骨缺损不进行处理，其余各组均采用不同材料处理，每组4只，每个终点依次闭合骨膜和皮肤切口。在饲养期间每两天更换一次垫料以防止污染。在第4、8和12周收集颅骨样品进行分析。
Micro-CT分析
Micro-CT扫描在大鼠安乐死后，分离颅骨并固定在4%多聚甲醛中，使用Micro-CT（平生医疗科技有限公司）进行样品扫描和分析。将颅骨置于样品管中，并在70 kV下扫描，分辨率设置为25 μm。重建颅骨，计算各组大鼠颅骨缺损部位骨再生程度，包括骨体积/组织体积（BV/ TV）和骨表面/骨体积（BS/BV）。
实验结果
CT成像分析表明，术后4周和8周时，AAT-ZCG水凝胶在促进颅骨缺损愈合方面具有卓越功效（图8 C）。放射学评估显示缺损区域内进行性骨再生，其特征为放射密度增加和逐渐缺损与新形成的骨组织桥接。在4周时，如与空白相比，AAT和AAT-ZC治疗均适度增强骨修复， BV/TV值改善（AAT：0.41 ± 0.01，AAT-ZC：0.45 ± 0.01）;然而，它们的效果明显不如用AAT-ZCG水凝胶观察到的效果显著。AAT-ZCG组在缺损区域显示出显著更高的放射密度，BV/TV值升高（0.49 ± 0.01），BS/BV值降低（7.72 ± 0.18），表明骨生成稳健，骨表面更光滑、成熟。到8周时，与其他组相比，用AAT-ZCG治疗的颅骨缺损的CT成像显示了最实质性的缺损闭合。缺损区放射密度均匀，骨边缘整合良好，表明骨再生有效（图8C）。定量分析证实了最佳BV/TV（0.67 ± 0.01）和BS/BV的进一步降低（10.21 ± 0.39），反映了晚期骨重塑和再生（图8D-E）。这些发现强调了AAT-ZCG水凝胶促进有效和结构上上级颅骨修复的能力，确立为颅骨再生中有前景的治疗策略。
图8 | AAT-ZCG的体内治疗效果评价。C不同治疗组中4周和8周时糖尿病颅骨缺损大鼠的CT图像。D每个治疗组8周时的BV/TV结果。E每个治疗组8周时的BS/BV结果。
本研究开发的AAT-ZCG水凝胶通过其湿粘附和自愈合特性有效地稳定并长时间保留在DM骨缺损区域。通过响应DM骨缺损的病理微环境，该材料启动级联催化反应，有效地降低血糖水平并消除ROS。体内外实验表明，AAT-ZCG能有效促进BMSCs的成骨分化，抑制破骨细胞活性，恢复骨代谢平衡。此外，它还能增强HUVEC中的血管生成，并通过调节巨噬细胞极化来调节免疫反应。此外，RNA测序显示AAT-ZCG显著上调FoxO1的表达，FoxO1是维持骨代谢平衡的关键调节因子。在糖尿病大鼠模型中进行的组织学分析和血液测试证实了水凝胶的生物相容性和降解特性。显微CT和组织学评估表明，AAT-ZCG显著增强糖尿病条件下的骨再生和缺损愈合，优于对照组。
综上所述，AAT-ZCG水凝胶为DM骨缺损提供了全面而有效的解决方案。这项研究突出了微环境响应性生物材料在解决糖尿病骨再生多方面挑战方面的潜力，并为骨科医学中精确治疗的发展提供了范例。
Micro CT (型号：NEMO) (平生医疗科技)
影像软件：Avatar（平生医疗科技）