AFM|3D打印的酶功能化支架可促进糖尿病骨再生

本帖最后由 SunPBiotech 于 2021-3-25 15:59 编辑

近期，深圳大学黄鹏教授团队与上海九院Wang Xiansong教授团队在Advanced Fucntional Materials上发表题为“3D Printed Enzyme‐Functionalized Scaffold Facilitates Diabetic Bone Regeneration”的文章。
摘要：糖尿病（DM）患者遭受骨折的风险很高，并且骨愈合能力差。在临床上没有有效的疗法可用于治疗糖尿病性骨缺损。本文提出了一种3D打印的酶功能化支架，该支架具有多种生物活性，包括在糖尿病情况下的成骨作用，血管生成和抗炎作用。所准备的多功能支架由藻酸盐，葡萄糖氧化酶（GOx）和过氧化氢酶辅助的生物矿化磷酸钙纳米片（CaP @ CAT NSs）组成。支架内的GOx可以通过将葡萄糖和氧气催化为葡萄糖酸和过氧化氢（H 2 O 2）来缓解高血糖环境。两者都产生H 2 O 2CaP @ CAT NSs可以清除DM中过量产生的H 2 O 2，而引发的低氧微环境则刺激新生血管形成。此外，CaP @ CAT NSs的掺入不仅增强了支架的机械性能，而且还通过降解的Ca 2+和PO 4 3-离子促进了骨再生。出色的体外和体内结果表明，酶功能化支架可以成为增强糖尿病条件下骨组织再生的有效策略，从而增强了多功能支架在糖尿病性骨再生中的潜力。

文章简述

纳米结构的CaP由于其天然的类骨成分，高的比表面积，可控制的生物降解性和药物负载能力而被广泛用于骨组织再生。但是，制备方法需要严格的条件或引入有毒物质。相反，仿生矿化方法可以提供一种温和而“绿色”的过程，以借助生物分子直接合成具有复杂结构的纳米结构CaP。在这项研究中，CAT被用作生物分子，并使用改良的生物矿化方法。成功制造了CaP @ CAT杂化物，该杂物被批准为具有纳米片形态的透钙磷石相，而纯CaP是具有微尺度的片状。值得注意的是，CaP @ CAT NSs拥有H 2 O 2。清除能力并降低RAW 264.7巨噬细胞的炎性基因表达（TNF-α，IL-1β），表明CaP @ CAT NSs可以用作抗氧化剂来治疗糖尿病条件下产生的ROS。此外，在3D打印的Alg支架中引入CaP MS和CaP @ CAT NSs显着增强了支架的机械性能，特别是对于3D打印的Alg / CaP @ CAT支架，与纯的支架相比，其抗压强度提高了1.53倍Alg支架。尽管3D打印的Alg / CaP @ CAT支架显示出均匀的大孔结构，高机械性能和H 2 O 2 清除活性使它们成为用于糖尿病骨再生的最先进的多功能支架，在糖尿病缺损区域中持续的高血糖环境更加令人关注。

DM患者患有胰岛素功能不全/抵抗，并以高血糖为特征。高血糖环境以多种方式显着影响骨相关细胞。据报道，高浓度的葡萄糖会抑制成骨细胞的增殖和分化，降低骨髓间充质干细胞的成骨潜能，和脂肪组织衍生的间质干细胞。因此，降低糖尿病性骨缺损中的葡萄糖浓度将对骨再生非常有益。为了降低糖尿病性骨缺损中的血糖水平，本研究应用了GOx，它可以特异性和有效地进行葡萄糖的催化氧化。通过简单地将GOx固定在Alg水凝胶中，制备了Alg / GOx / CaP @ CAT支架。观察到葡萄糖持续下降，这进一步促进了rBMSC的增殖和成骨分化。值得一提的是，GOx和CAT的级联反应不仅可以加速葡萄糖的消耗，而且可以将H 2 O 2抑制在安全范围内（小于30 μm）。

除了成骨作用，血管化在骨重建过程中也起着关键作用。先前的研究表明，具有血管生成活性的支架可以刺激缺损部位更多的骨形成。已经探索了各种方法，例如加载血管生成剂或创建血管化的微管。另一种简单的血管化策略是构建低氧微环境，该环境能够激活HIF-1α并刺激血管化。本研究表明，级联反应可以使O 2持续消耗导致无需添加其他药物即可直接在糖尿病性骨缺损中产生低氧微环境。在3D打印的Alg / GOx / CaP @ CAT支架上，HUVEC的血管生成基因（CD31，VEGF，HIF-1α，BFGF）表达明显上调，证实了3D打印的Alg / GOx / CaP @ CAT支架非常适合DM条件下的血管化骨再生。

为了进一步评估DM条件下3D打印的Alg / GOx / CaP @ CAT支架的体内骨骼再生。由于T2DM占了DM病例的90％以上，因此建立了T2DM中的大鼠颅骨骨缺损模型。如预期的那样，结果显示，与其他支架相比，Alg / GOx / CaP @ CAT支架中有更多的新骨形成，并且具有更好的成骨性，血管生成和抗炎生物活性。因此，通过将酶诱导的级联反应与3D打印的骨组织工程支架相结合，开发了一种具有增强治疗功效的多功能支架，专门用于糖尿病骨再生。