Bioactive Materials | 一种用于老年骨骼再生代谢修复的持续性NAD+补充-生物合成纳米平台

文章来源：北科纳米专业的纳米材料合成专家浏览次数：20时间：2026-10-28 设计合成：18101240246

缺血性卒中（IS）的治疗效果受到治疗药物在缺血病灶内蓄积不足以及缺血再灌注后持续性继发性损伤的严重限制。本文报道了一种基于cRGD功能化外泌体的纳米平台，该平台可增强药物在缺血病灶内的蓄积，并增强其抗氧化神经保护作用，从而用于IS的治疗。我们利用环状RGD肽（cRGD）对神经干细胞来源的外泌体进行功能化修饰，随后负载Mn₃O₄纳米颗粒，构建了一种混合纳米系统（cRGD-Exo@Mn₃O₄）。经改造的外泌体保留了其固有的脑趋向性，而cRGD修饰则促进了其在缺血区域的优先蓄积，这可能是通过与缺血病灶中高表达的αvβ3整合素相互作用实现的。所引入的Mn₃O₄纳米颗粒赋予了其强大的活性氧（ROS）清除能力，从而减轻缺血微环境中的氧化应激。体外和体内研究表明，与未修饰的对照组相比，cRGD-Exo@Mn₃O₄在缺血区域表现出更强的聚集。该纳米系统能有效减轻氧化应激和神经炎症，从而减少MCAO/R小鼠的梗死体积，减轻脑水肿，并改善其神经功能。机制上，转录组分析表明，其治疗作用与炎症和细胞死亡相关通路的调控有关，包括抑制RIPK1/RIPK3/MLKL信号级联。综上所述，本研究提出了一种合理设计的基于外泌体的纳米平台，该平台整合了缺血病灶相关聚集和ROS清除能力。

该研究以题为“A sustained NAD+ supplementation-biosynthesis nanoplatform for metabolic restoration in aged bone regeneration”发表在Bioactive Materials上。

图1

N/S@M@P纳米复合水凝胶恢复NAD⁺代谢并促进衰老骨缺损再生的机制。a) N/S@M@P纳米复合水凝胶构建示意图。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和烟酰胺磷酸核糖转移酶激活剂SBI-797812共包封于胺化双介孔二氧化硅颗粒中，并与氨基功能化PEG化聚癸二酸甘油酯-聚谷氨酸水凝胶基质整合，构建可注射纳米复合系统N/S@M@P。b) 该可注射水凝胶能够在衰老骨缺损部位原位填充，并控制治疗性纳米颗粒的释放。c) N/S@M被衰老BMSCs释放和摄取后，N/S@M通过“补充-生物合成”策略恢复NAD⁺代谢稳态。外源性NAD⁺补充提供快速代谢补偿以补充细胞内NAD⁺池，而SBI介导的NAMPT激活增强补救途径以维持持续的NAD⁺再生。这种互补性代谢干预改善了NAD⁺/NADH氧化还原平衡，增强了ATP产生，并恢复了线粒体功能。恢复的NAD⁺代谢进一步支持SIRT1相关下游调控，从而减轻DNA损伤相关应激、缓解细胞周期阻滞并减少衰老相关分泌表型相关炎症反应。最终，这种局部持续递送策略改善了衰老BMSCs的成骨功能并促进了衰老骨再生。

图2

共载纳米颗粒（N/S@M）的制备与表征及衰老BMSCs摄取行为的调控。a) 使用共沉淀法制备双载纳米颗粒（N/S@M）的步骤示意图。N-DMSN（M）和药物（NAD⁺（N）或SBI（S））以优化比例在药物良溶剂中充分混合。随后加入一定体积的相应不良溶剂以诱导药物与颗粒共沉淀。离心、洗涤和冻干后，最终获得载药颗粒。b) M的透射电镜图像。比例尺：50 nm。c) M的孔径分布曲线。d) M和N/S@M纳米颗粒的动态尺寸分布。e) M和N/S@M纳米颗粒的Zeta电位。f) N/S@M在磷酸盐缓冲液（pH 7.4）中37°C下NAD⁺和SBI的释放曲线。g) 与FITC标记颗粒共培养4小时后衰老与年轻BMSCs的摄取比。h) 流式细胞术分析多种内吞抑制剂存在下的相对摄取，归一化至年轻或衰老BMSCs中相应的无抑制剂对照。i) 纳米颗粒与摄取相关蛋白的共定位分析。比例尺：20 μm。j) 处理后BMSCs的耗氧率。k) N/S@M介导的衰老BMSCs代谢恢复、衰老缓解和纳米颗粒内化增强的示意图。

图3

可注射水凝胶（N/S@M@P）的制备与表征，用于恢复衰老BMSCs中NAD(H)稳态和线粒体功能。a) 可注射N/S@M@P的合成路线涉及N/S@M、PEGSN和PGA在交联剂1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺作用下反应。b) 可注射N/S@M@P的照片显示其对复杂轮廓的形状适应性。凝胶化时间约为1分钟。比例尺：5 mm。c) N/S@M@P的代表性SEM图像。比例尺：20 μm。d) FITC标记N/S@M（N/S@M-FITC）均匀分散于P中的荧光图像。比例尺：20 μm。e) N/S@M-FITC颗粒从P中在PBS（pH 7.4）37°C下的释放曲线。f) N/S@M@P在PBS（pH 7.4）37°C下的剩余重量曲线及在衰老骨缺损中植入14天后水凝胶的代表性图像。g, h) 处理后BMSCs中细胞内NAD(H)水平和NAD⁺/NADH比值。i) 处理后BMSCs中细胞内ATP水平的定量。j) 代表性MitoSOX Red和JC-1荧光染色。比例尺：50 μm。k, l) MitoSOX Red和JC-1荧光染色的定量分析。

图4

N/S@M@P在体外缓解BMSCs衰老。a, b) 逆转录定量PCR分析年轻和衰老BMSCs经水凝胶处理后NAD⁺代谢相关基因（Nampt、Sirt1）和细胞衰老相关基因（p21、p16）的表达。c) BMSCs处理后3天的代表性衰老相关β-半乳糖苷酶染色图像。比例尺：200 μm。d) BMSCs处理后p53和γH2A.X的代表性免疫荧光图像。比例尺：50 μm。e, f) p53和γH2A.X免疫荧光染色的定量分析。g) 热图表示衰老BMSCs处理后的大鼠细胞因子抗体阵列分析。h) 饥饿后水凝胶处理1天BMSCs中G0/G1、S和G2/M期的细胞周期分析。

图5

N/S@M@P改善衰老BMSCs的增殖和成骨功能。a) 材料处理后不同时间点衰老BMSCs的增殖和成骨分化评估。b) 水凝胶处理后第1、4和7天衰老BMSCs的增殖定量分析。c) 成骨诱导7天后衰老BMSCs中Alpl、Runx2和Col1的RT-qPCR分析。d) 成骨诱导14天和21天后衰老BMSCs的代表性碱性磷酸酶染色和茜素红S染色图像。比例尺：200 μm。e, f) 成骨诱导14天和21天后衰老BMSCs的ALP活性和ARS染色定量。g) 处理后第3天衰老BMSCs的增殖定量分析。h) 成骨诱导7天后衰老BMSCs的ALP活性定量。i) 成骨诱导7天后衰老BMSCs的代表性ALP染色图像。比例尺：200 μm。

总结

老年骨缺损修复中，衰老细胞NAD+水平不足且递送效率低，单纯补充难以维持。我们构建了双介孔二氧化硅纳米平台，同时负载NAD+和生物合成激活剂，形成“补充-合成”双路径。该平台通过调节衰老骨髓间充质干细胞的内吞途径，将摄取效率提升41%。将其整合入可注射水凝胶后实现14天持续释放，使NAD+/NADH比值提高11.2倍、ATP生成增加3.25倍。在老年骨缺损模型中，衰老细胞比例降至21.2%，骨体积比提升119%。

该工作将NAD+的即时补充与内源性合成激活耦合，解决了衰老细胞递送效率下降和代谢恢复难以持续的问题。未来可筛选其他NAD+前体或合成通路激活剂，适配不同衰老程度。水凝胶的持续释放特性适合老年患者需长期干预的场景。该平台可拓展至其他与细胞衰老相关的骨病，如骨质疏松或骨折延迟愈合。双介孔结构也允许共载其他代谢调节分子，但长期NAD+升高对正常细胞的潜在影响需进一步评估。

参考文献：

DOI:10.1016/j.bioactmat.2026.05.016

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