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

通过多层次活性氧调节水凝胶恢复衰老骨骼修复的活力


来源：Adv. Mater. 2024, 36, 2306552


1. 论文摘要核心内容


问题背景：衰老导致活性氧（ROS）过度积累，引发氧化应激，破坏骨髓间充质干细胞（BMSCs）功能，阻碍老年骨缺损修复。

解决方案：开发一种可注射的 PSeR水凝胶（由PEGS-PGA水凝胶负载雷帕霉素的聚二硒化物纳米胶束构成），通过三级ROS清除机制：

细胞外ROS清除：水凝胶羧基螯合Fe²⁺，抑制·OH生成（图2e-g）。


细胞内ROS清除：ROS响应型纳米胶束释放雷帕霉素，清除胞内ROS（图1g-h）。

持续抗氧化：雷帕霉素诱导自噬，维持ROS平衡（图3i-j）。

成果：水凝胶恢复衰老BMSCs的自我更新和成骨能力，显著促进老年小鼠骨缺损再生（图7）。



2. 研究目的


核心目标：解决衰老骨修复中 细胞内/外ROS同步清除 的难题。

具体需求：

敏感响应衰老微环境的高ROS水平。

同时调控细胞内外ROS，打破衰老恶性循环。

恢复衰老BMSCs功能，促进骨再生。


3. 研究思路


采用 三级ROS调控策略（Scheme 1）：


材料设计：

SeR纳米胶束：聚二硒化物共聚物（mPEG-b-P(TMC-co-MSeSe)）负载雷帕霉素，实现ROS响应性药物释放（图1a-d）。

PEGS-PGA水凝胶：通过氨基-羧基交联形成可注射支架，负载SeR胶束（图2a-c）。

作用机制：

细胞外：水凝胶羧基螯合Fe²⁺，减少·OH生成（图2e-g）。

细胞内：纳米胶束靶向递送雷帕霉素，清除ROS并诱导自噬（图3）。

功能验证：

体外：逆转BMSCs衰老，增强成骨分化（图4）。

体内：促进老年小鼠骨再生（图7）。


4. 关键数据及研究意义

（1）材料表征数据


图1g-h：SeR纳米胶束在低浓度H₂O₂（10 μM）下15分钟内释放>98%雷帕霉素，证明其 高ROS响应性。

图2e-g：P水凝胶通过Fe²⁺螯合减少·OH生成（XPS证实Fe²⁺结合），降低细胞外ROS。

图2j：PSeR水凝胶在100 μM H₂O₂中缓释雷帕霉素（4天>80%），适合长期治疗。


（2）体外功能数据


图3a-b（Unisense电极数据）：

数据内容：使用丹麦Unisense微电极系统（PXF2078）测量年轻/老年大鼠血清的 氧化还原电位。

结果：老年血清电位显著高于年轻组，表明 氧化应激增强；P/PSe水凝胶处理使老年血清电位接近年轻水平。

研究意义：直接量化细胞外微环境的氧化状态，证实水凝胶通过螯合Fe²⁺有效改善细胞外氧化应激，为调控衰老微环境提供关键证据。

图3d-e：流式细胞术显示PSeR处理使衰老BMSCs的ROS水平降至年轻细胞水平。

图3i-k：Western blot显示PSeR降低DNA损伤标志物γH2A.X 80%，上调自噬蛋白LC3II。

图4d-g：ALP/ARS染色证实PSeR显著提升衰老BMSCs的成骨分化能力。


（3）体内再生数据


图6a-b：DHE荧光显示PSeR组骨缺损部位ROS降低70%（vs 对照组）。

图6c-d：免疫荧光显示PSeR使衰老BMSCs（p16⁺LepR⁺）比例从25.6%降至8.2%。

图7d-e：Micro-CT显示PSeR组骨体积分数（BV/TV）提升2.75倍，骨小梁数量（Tb.N）增加。


5. 结论


材料创新：PSeR水凝胶首次实现 细胞内/外ROS同步清除 和 自噬诱导 的三级调控。

机制突破：

逆转BMSCs衰老：通过清除ROS、修复DNA损伤（降低γH2A.X）、促进自噬。

转录组分析（图5）：上调DNA复制（Mcm2-7）和细胞周期基因，恢复细胞增殖能力。

治疗价值：显著促进老年小鼠骨再生（8周完全修复），为退行性骨病提供新策略。


丹麦Unisense电极数据的深度解读


技术原理：Unisense微电极通过测量溶液氧化还原电位（Eh），直接反映 综合氧化应激状态（正值增大=氧化增强）。

关键发现（图3a-b）：

老年血清Eh显著高于年轻血清 → 证实衰老伴随 细胞外微环境氧化。

P/PSe水凝胶使老年血清Eh接近年轻水平 → 水凝胶通过Fe²⁺螯合有效改善细胞外氧化应激。

研究意义：

弥补传统方法（如DCFH-DA）仅检测细胞内ROS的局限，首次量化 细胞外微环境整体氧化状态。

为水凝胶的 细胞外ROS清除机制 提供直接证据，支撑其“多层级调控”的设计理念。

建立衰老微环境的客观评价指标，为后续退行性疾病研究提供新方法。


总结：该研究通过创新的三级ROS调控水凝胶，突破性解决衰老骨修复中ROS同步清除难题，Unisense电极数据为细胞外微环境调控提供了关键证据，具有重要理论和临床价值。