负载Mg-Ce-MOF的生物3D打印支架改善衰老微环境，促进老年骨缺损修复
年龄相关骨缺损因衰老微环境中高氧化应激与过度炎症，致骨髓间充质干细胞衰老、骨再生能力减弱，是老年人群残疾与死亡的重要诱因。上海第九人民医院王金武教授团队制备出多功能镁铈离子基金属有机框架，构建3D生物打印支架，通过清除活性氧、持续释放镁离子来改善衰老微环境，促进老年骨缺损修复。相关工作以“Three-Dimensional Bioprinted Scaffolds Loaded with Multifunctional Magnesium-Based Metal−Organic Frameworks Improve the Senescence Microenvironment Prompting Aged Bone Defect Repair”为题发表在《ACS Nano》上。
研究内容
通过扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线（EDX）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）等方法，研究了不同金属有机框架（MOF）的结构和成分。结果显示，Ce-MOF呈均匀棒状，Mg-MOF为三角形板状，Mg-Ce-MOF为六方立方结构，且其中镁和铈元素分布均匀，证实了MOF的成功合成及其晶体结构完整性。
利用流变学测试、溶胀比和降解率分析等方法，研究了支架的物理性能和离子释放情况。结果表明，含镁铈MOF的支架具有良好的温度敏感性和机械强度，能持续释放镁离子，且对过氧化氢（H₂O₂）的清除效率更高，有效降低细胞内活性氧（ROS）水平。
通过SA-β-Gal染色、RT-qPCR和免疫荧光染色等方法，研究了氧化应激下骨髓间充质干细胞（BMSCs）的衰老情况。结果显示，含镁铈MOF的支架能显著减少衰老细胞比例，降低衰老相关基因（p21、p53）表达，增加细胞周期蛋白（Cyclin D1）表达，体内实验也证实其能减少ROS和DNA损伤。
采用mRNA测序和生物信息学分析方法，研究了氧化应激和镁离子干预对BMSCs基因表达的影响。结果发现，氧化应激导致288个基因上调、163个基因下调，而镁离子干预后126个基因上调、75个基因下调，涉及衰老、氧化应激和骨分化相关通路。
通过GO和KEGG富集分析、蛋白质互作网络（PPI）和Western Blot等方法，研究了镁离子的作用机制。结果表明，镁离子通过激活Nrf2信号通路，促进醛脱氢酶3A1（ALDH3A1）表达，减少细胞衰老和炎症因子（TNF-α、IL-6）释放。
利用ALP染色、RT-qPCR和免疫荧光染色等方法，研究了支架对BMSCs成骨分化的影响。结果显示，含镁铈MOF和SKL2001的支架能显著提高碱性磷酸酶（ALP）活性，增加成骨基因（Runx2、OPN）表达，促进钙结节形成。
通过免疫荧光染色、RT-qPCR和Transwell共培养等方法，研究了支架对巨噬细胞极化的调控。结果表明，含镁铈MOF的支架能促进巨噬细胞向抗炎M2型极化，减少促炎因子（TNF-α）表达，增加抗炎因子（IL-10）表达，进而促进BMSCs成骨分化。
采用Micro-CT、H&E和Masson染色等方法，研究了支架的体内骨修复效果。结果显示，含镁铈MOF和SKL2001的支架能显著增加新骨体积和骨密度，促进骨组织再生，12周后缺损几乎修复。
通过免疫荧光染色方法，研究了支架植入后的成骨、血管生成和巨噬细胞表型。结果显示，含镁铈MOF和SKL2001的支架能增加骨钙素（OCN）表达，促进血管内皮细胞（CD31）和平滑肌细胞（α-SMA）生成，提高M2型巨噬细胞（CD163）比例。
研究结论
本研究成功通过水热法合成多功能镁铈金属有机框架（Mg-Ce-MOF），并构建3D生物打印支架。该支架可有效清除活性氧，减少衰老相关分泌表型，改善衰老微环境，延缓负载骨髓间充质干细胞的衰老，促进其在氧化应激下的成骨分化。同时，支架能促使RAW264.7细胞向M2型巨噬细胞极化，改善过度炎症状态。机制研究表明，镁离子通过激活Nrf2信号通路促进醛脱氢酶3A1表达，从而延缓细胞衰老。此外，加入Wnt/β-连环蛋白激动剂SKL2001可进一步增强支架的成骨分化和巨噬细胞极化效果。体内实验证实，负载Mg-Ce-MOF、SKL2001和年轻骨髓间充质干细胞的3D生物打印支架能有效促进老年大鼠颅骨缺损修复，为年龄相关骨缺损治疗提供了新策略。
文章来源：
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c03023
(责任编辑：admin)
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