Advanced Materials | 通过协同抗氧化和骨诱导功能实现糖尿病骨再生的骨源纳米酶

糖尿病患者的骨骼再生依然是一项艰巨的挑战，主要原因是持续的氧化应激、慢性炎症以及干细胞的成骨潜能受损。纳米酶已被广泛用于调节氧化应激和炎症，被认为是糖尿病骨骼再生的有前景候选物。然而，它们的骨生成能力有限，这大大阻碍了其直接用于骨骼修复的应用。这里设计了一系列生骨离子掺杂的普鲁士蓝（PB）纳米酶，赋予经典抗氧化 PB 骨诱导能力，其中铜掺杂 PB（CuPB）表现出最佳性能。经过筛选的 CuPB 纳米酶有效清除各种高活性氧物种，抑制炎症，同时通过激活磷酰肌氨酸 3-激酶/蛋白激酶 B（PI3K-Akt）途径促进成骨分化。在 2 型糖尿病大鼠中，CuPB 纳米颗粒配方和 CuPB 功能化三维支架分别显著增强了牙周炎相关牙槽骨流失和颅骨缺损模型中的骨骼再生。本研究建立了一个集成的“成骨纳米酶”平台，协同耦合抗氧化和骨诱导功能。
该研究以题为“Osteogenic Nanozymes for Diabetic Bone Regeneration via Synergistic Antioxidant and Osteoinductive Functions”发表在Advanced Materials上。糖尿病骨再生中的“成骨纳米酶”概念。通过将成骨性X金属离子（X = Mg²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Sr²⁺、Mo²⁺或Eu³⁺）掺入普鲁士蓝（PB）纳米酶中，设计并构建了促骨形成纳米酶。随后对所得 XPB 制剂进行系统筛选，以鉴定具有增强抗氧化和成骨诱导活性的最佳候选物。所选 XPB 纳米酶兼具强效抗氧化、抗炎功能与显著成骨能力，当以纳米颗粒形式直接给药时可减轻牙周骨丧失；当作为功能组分掺入糖尿病大鼠的块状支架中时，则能促进颅骨缺损修复。

成骨 XPB 纳米酶筛选实验。(A) XPB 纳米酶合成示意图。(B)不同 XPB 纳米酶的SEM与TEM图像（右上角插图）。比例尺：100 nm。(C)不同 XPB 纳米酶的EDS元素分布图。比例尺：100 nm。(D)不同 XPB 纳米酶对 ABTS ⋅+及(E) DPPH 自由基的清除率。n=3。(F，G)经不同 XPB 纳米酶处理的BMSCs中ALP染色代表性图像及定量ALP活性。比例尺：100 µm 。n=3。“*”表示与PB组相比存在显著差异。***p<0.001。图A由BioRender.com制作。筛选出的CuPB纳米酶的表征。(A) PB和CuPB纳米酶的 XRD 图谱及(B) XPS 扫描。(C) CuPB中Cu 2p的详细 XPS 谱。(D) 使用商业检测试剂盒评估PB和CuPB纳米酶对ROS（⋅OH、⋅O2−和过氧化氢）的清除速率。n = 3。(E) 通过ESR测定PB和CuPB纳米酶对⋅OH及(F)⋅O2−的消耗能力。(G) 通过测量产氧量确定PB和CuPB纳米酶对过氧化氢的消耗能力。n = 3。(H) PB和CuPB纳米酶的米氏动力学特性。Km表示米氏常数。(I) PB和CuPB纳米酶多种酶样活性的示意图。(J) 提出的CAT样催化反应路径及(K) PB和CuPB纳米酶对应的吉布斯自由能曲线。图I由BioRender.com制作。

总结

在体内验证中，CuPB纳米酶以游离形式局部注射于糖尿病大鼠牙周炎模型，可显著降低牙槽骨的骨水泥-釉牙骨质界距离，改善骨微结构参数，并减少肿瘤坏死因子-α等炎症因子的表达。进一步将CuPB以0.1 wt%的低掺量复合于3D打印聚己内酯支架中，所得复合支架在保持良好力学性能的同时，获得了稳定的活性氧清除能力。将该支架植入糖尿病大鼠颅骨缺损区，术后8周结果显示，新生骨组织的骨体积分数与骨小梁厚度均显著优于纯PCL支架，且缺损区内RUNX2表达上调、TNF-α表达受抑。该研究通过单一组分同时实现抗氧化、抗炎与促成骨三重功能，为糖尿病性骨缺损的再生修复提供了一种兼具生物活性与可加工性的转化策略。

参考消息：

DOI: 10.1002/adma.72833