近期，南京醫科大學附屬南京醫院姚慶強教授和東南大學醫學院張薇副教授在科愛出版創辦的期刊 Bioactive Materials 上聯合發表文章：含金屬-有機框架納米酶的絲素凝膠用于增強骨-軟骨再生。該研究開發了一種負載銅-單寧酸納米酶的多功能絲基水凝膠為骨-軟骨再生提供了抗炎、抗氧化和抗菌微環境，以提高骨-軟骨一體化修復再生。
1、研究內容簡介
關節軟骨損傷是臨床骨科和運動醫學十分常見的疾病。由于缺乏血液供應、淋巴循環和神經支配，軟骨損傷后難以自身修復甚至發展為骨關節炎。現有的治療策略例如對植入體微結構的控制或生長因子的引入，功能局限而難以應對復雜的局部組織病理微環境變化。因此骨-軟骨再生應與微環境的改善有效結合，從而使植入體能更有效的發揮作用。絲素蛋白因其良好的生物相容性、可控的降解特性和優異的力學強度等特點，廣泛用于組織工程的基底材料。單寧酸是一種天然植物來源的多酚類化合物，其活性酚羥基可與其他分子形成氫鍵等非共價鍵的連接，從而增強界面的粘附力。此外單寧酸還具有抗氧化、抗炎、抗菌等生物學功能。銅是人體重要的微量元素，參與了骨骼系統的發育及維持，含銅生物材料可以促進干細胞的成骨分化以及軟骨細胞外基質的合成。本項目主要研究如何將單寧酸和納米銅以一定的比例調和形成金屬-有機框架納米酶，進而聯合絲素蛋白合成新型復合凝膠材料，探究其對病理微環境的改善及促骨-軟骨再生修復的作用。
示意圖：含金屬-有機框架納米酶的絲素凝膠用于增強骨-軟骨再生
研究結果顯示金屬-有機框架納米酶具有表面光滑的納米結構和優異的熱穩定性。在辣根過氧化物酶和過氧化氫的作用下，絲素蛋白溶液可交聯形成穩定的凝膠結構。各組凝膠在掃描電鏡的觀察下呈現均勻的多孔結構。金屬-有機框架納米酶的引入使復合凝膠體系較單純絲素凝膠具有增強的黏度和親水性，有助于植入體與周圍組織緊密整合及營養物質的交換。
圖1 金屬-有機框架納米酶及復合絲素凝膠的制備和表征
CCK8與Live/dead實驗結果顯示，含金屬-有機框架納米酶的復合凝膠對體外培養的間充質干細胞和軟骨細胞具有良好的生物相容性。由于單寧酸和納米銅是常用的抗菌材料，復合凝膠可在24h內抑制金黃色葡萄球菌的增殖，這有利于凝膠植入后在局部形成抑菌的微環境。
圖2 復合凝膠的生物相容性和抗菌性能評估
含金屬-有機框架納米酶的復合凝膠可在體外有效清除活性氧自由基DPPH。在IL-1β和過氧化氫的分別刺激下，復合凝膠可以有效降低骨髓間充質干細胞和軟骨細胞的細胞內活性氧水平，降低活性氧對細胞的損傷。
圖3 復合凝膠的抗氧化能力評估
在體外模擬的炎癥微環境下，間充質干細胞的成骨分化顯著降低，同時軟骨細胞外基質的沉積也有所減少。經含金屬-有機框架納米酶的復合凝膠處理后，間充質干細胞的成骨分化以及軟骨細胞外基質的表達均能夠維持于較高水平。此外，Nrf-2/SOD-1、HO-1抗氧化通路的相關基因表達顯著提高。
圖4 復合凝膠的改善炎癥微環境的能力評估
蛋白組學分析表明，經含金屬-有機框架納米酶的復合凝膠處理后，成骨相關通路蛋白和抗氧化相關蛋白的表達水平顯著提高，凋亡和炎癥相關通路下調，進一步證實了復合凝膠發揮生物學功能的內在機制。
圖5 蛋白組學分析
最后，在兔骨-軟骨全層缺損模型中植入復合凝膠12周后，大體評估、micro-CT和組織學分析（HE、S/O、甲苯胺藍染色，免疫組化）等結果表明，復合凝膠有效促進了關節軟骨和軟骨下骨的修復再生。
圖6 體內動物實驗
綜上所述，本研究制備了一種新型含金屬-有機框架納米酶的絲素凝膠，其通過在損傷部位發揮抗炎、抗氧化和抗菌作用，為骨-軟骨缺損的內源性再生提供支持性微環境，以促進骨-軟骨缺損一體化修復再生。
