IF 18.9| BioTNT助力生物材料研究：使用NIPAM/Nb?C水凝胶靶向微运动以模拟自然骨愈合
2024年9月，上海交通大学附属第六人民医院在国际期刊《Bioactive Materials》上发表的，题为“Targeting micromotion for mimicking natural bone healing by using NIPAM/Nb2C hydrogel”的论文。Qianhao Yang, Mengqiao Xu, Haoyu Fang同位第一作者，Jing Wang, Yixuan Chen为通讯作者。
背景: 作为承重器官，骨组织不断从重力和周围肌肉中接收机械刺激，这些刺激对于维持骨稳态以及促进基质和矿物质沉积是必不可少的。进化赋予了哺乳动物骨骼组织自我修复的能力，其中微运动和机械力起着重要作用。自然骨折愈合是一个普遍的过程，骨在此过程中恢复刚度和机械完整性，从而允许顺序的再血管化和重塑。这一过程包括四个重叠的阶段：炎症、软骨痂形成、硬骨痂形成和重塑。简而言之，炎症细胞和循环的骨髓间充质干细胞（BMSCs）在骨折区积聚，标志着骨愈合的初始阶段。根据骨折部位和局部微环境，BMSCs可以分化为成骨细胞或肥大软骨细胞，分别启动膜内成骨（IMO）或软骨内成骨（ECO）。长骨（承重骨）的自然骨折愈合在轴向骨折间隙压缩（骨折部位的循环轴向微运动）下重演软骨内成骨。在没有骨折间隙应变的情况下，骨直接按照膜内成骨的模式愈合，而过度运动会引起不愈合。最终，新生血管形成和破骨细胞激活的联合促进导致原始骨痂的成熟和重塑。精细调节的微运动对于成功的骨再生和软骨内骨发育是有益的。一项体内研究表明，受损区域适当的微运动可以改善小鼠趾尖再生。然而，在骨再生过程中，机械线索的重要性，这些线索在细胞分化、矿物质沉积和基质成熟过程中是必不可少的，常常被忽视。Glatt等人报告称，在骨折发生后的早期阶段（大约3周后），骨折间隙的微运动显著促进了缺陷区的骨桥接。然而，骨折端的过度微运动会延迟骨痂的形成和成熟，导致内固定失败和不愈合的可能性增加。骨折部位“不稳定”的生物力学微环境会损害早期局部炎症和随后的骨痂形成与成熟。受自然骨愈合中生物物理学解释的启发，微运动可能是激活自我修复内在能力的关键。因此，开发一种具有高生物相容性、精确控制微运动的特性和仿生模拟特征的精细骨移植生物材料对于骨缺损的重建具有重要意义。
研究信息：自然骨折愈合在精细调节的机械力和适当的微运动作用下最为高效。为了模拟骨折间隙中的这种微运动，研究者们开发了一种近红外二区（NIR-II）激活的水凝胶，通过将二维（2D）单层Nb?C纳米片整合到热响应型聚（N-异丙基丙烯酰胺）（NIPAM）水凝胶体系中。NIR-II触发的NIPAM/Nb?C水凝胶变形旨在为共培养细胞生成精确的微运动。研究表明，频率为1/300 Hz的微运动能够使细胞长径比/直径比变化2.37倍，是骨髓间充质干细胞（BMSCs）成骨分化的最佳条件。此外，mRNA测序和验证揭示了微运动增强作用是通过Piezo1激活介导的。抑制Piezo1会中断机械敏感性并阻断成骨分化。研究还建立了颅骨和股骨干缺损模型，以探索微运动生物材料的生物相容性和成骨诱导性。通过X射线、微计算机断层扫描（micro-CT）和免疫组化染色等一系列研究方法，评估了其生物安全性和成骨效果。体内实验结果表明，可调节的微运动通过依次激活软骨内成骨、促进新生血管形成、启动矿物质沉积以及协同加速全层骨再生，从而增强自然骨折愈合过程。本研究表明，具有可控力学物理特性的微运动生物材料能够促进BMSCs的成骨分化，并促进全骨再生。NIPAM/Nb?C水凝胶的设计具有高效的光热转换效率、精确控制微运动的特性和仿生模拟骨修复能力，可能会在再生医学领域开启一个新时代。
使用产品：
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cust-其他引物
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200ul*10um*2
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2.7 定量逆转录聚合酶链反应（qRT-PCR）分析
如上所述播种并共培养后，使用Trizol试剂（TransGen Biotech，北京，中国）提取细胞的mRNA。采用ABI HT7900序列检测系统（Applied Biosystems，澳大利亚）进行qRT-PCR分析，具体方法如文献[57]所述。COL-I、RUNX2、BMP-2、Piezo1和OCN的引物由BioTNT（上海，中国）合成，序列如下： COL1： 正向引物：5′-GAC ATC CCA CCA ATC ACC TG-3′ 反向引物：5′-CGT CAT CGC ACA ACA CCT T-3′ OCN： 正向引物：5′-AGC CTT TGT GTC CAA GCA-3′ 反向引物：5′-CCA GCC ATT GAT ACA GGT AG-3′BMP-2： 正向引物：5′-GGA GGT CGG ATA GTT TCG AT-3′ 反向引物：5′-GCT GGT TGT CGT TCG CTT GA-3′ RUNX2： 正向引物：5′-TAA TCT CCG CAG GTC ACT AC-3′ 反向引物：5′-CTG AAG AGG CTG TTT GAT G-3′
结论：本研究提出了一种新型的NIR-II（近红外二区）激活的可变形NIPAM/Nb?C水凝胶，通过将可控微运动整合到具有高生物相容性的支架中，有效生成精确的微运动以促进成骨分化，即微运动生物材料（Micromotion Biomaterial）。我们验证了频率为1/300 Hz的微运动能够触发细胞长径比/直径比的2.37倍变化，这是骨髓间充质干细胞（BMSCs）成骨分化的最佳条件。高通量mRNA筛选和验证表明，微运动增强的BMSCs成骨分化与机械敏感通道Piezo1的激活相关。通过建立小鼠颅骨缺损模型和大鼠股骨干缺损模型，探索了NIPAM/Nb?C复合材料的成骨诱导效果。体内结果证实，可控微运动通过依次激活软骨内成骨、促进新生血管形成、启动矿物质沉积以及协同加速全层骨再生，从而增强自然骨折愈合过程。总之，我们提出将NIR-II激活的可变形NIPAM/Nb?C水凝胶支架设计为微运动生物材料，为治疗大块骨缺损提供了有趣的研究平台，并为未来骨再生生物材料的设计提供了新的思路。