近期，南京医科大学附属南京医院姚庆强教授和东南大学医学院张薇副教授在科爱出版创办的期刊 Bioactive Materials 上联合发表文章：含金属-有机框架纳米酶的丝素凝胶用于增强骨-软骨再生。该研究开发了一种负载铜-单宁酸纳米酶的多功能丝基水凝胶为骨-软骨再生提供了抗炎、抗氧化和抗菌微环境，以提高骨-软骨一体化修复再生。
1、研究内容简介
关节软骨损伤是临床骨科和运动医学十分常见的疾病。由于缺乏血液供应、淋巴循环和神经支配，软骨损伤后难以自身修复甚至发展为骨关节炎。现有的治疗策略例如对植入体微结构的控制或生长因子的引入，功能局限而难以应对复杂的局部组织病理微环境变化。因此骨-软骨再生应与微环境的改善有效结合，从而使植入体能更有效的发挥作用。丝素蛋白因其良好的生物相容性、可控的降解特性和优异的力学强度等特点，广泛用于组织工程的基底材料。单宁酸是一种天然植物来源的多酚类化合物，其活性酚羟基可与其他分子形成氢键等非共价键的连接，从而增强界面的粘附力。此外单宁酸还具有抗氧化、抗炎、抗菌等生物学功能。铜是人体重要的微量元素，参与了骨骼系统的发育及维持，含铜生物材料可以促进干细胞的成骨分化以及软骨细胞外基质的合成。本项目主要研究如何将单宁酸和纳米铜以一定的比例调和形成金属-有机框架纳米酶，进而联合丝素蛋白合成新型复合凝胶材料，探究其对病理微环境的改善及促骨-软骨再生修复的作用。
示意图：含金属-有机框架纳米酶的丝素凝胶用于增强骨-软骨再生
研究结果显示金属-有机框架纳米酶具有表面光滑的纳米结构和优异的热稳定性。在辣根过氧化物酶和过氧化氢的作用下，丝素蛋白溶液可交联形成稳定的凝胶结构。各组凝胶在扫描电镜的观察下呈现均匀的多孔结构。金属-有机框架纳米酶的引入使复合凝胶体系较单纯丝素凝胶具有增强的黏度和亲水性，有助于植入体与周围组织紧密整合及营养物质的交换。
图1 金属-有机框架纳米酶及复合丝素凝胶的制备和表征
CCK8与Live/dead实验结果显示，含金属-有机框架纳米酶的复合凝胶对体外培养的间充质干细胞和软骨细胞具有良好的生物相容性。由于单宁酸和纳米铜是常用的抗菌材料，复合凝胶可在24h内抑制金黄色葡萄球菌的增殖，这有利于凝胶植入后在局部形成抑菌的微环境。
图2 复合凝胶的生物相容性和抗菌性能评估
含金属-有机框架纳米酶的复合凝胶可在体外有效清除活性氧自由基DPPH。在IL-1β和过氧化氢的分别刺激下，复合凝胶可以有效降低骨髓间充质干细胞和软骨细胞的细胞内活性氧水平，降低活性氧对细胞的损伤。
图3 复合凝胶的抗氧化能力评估
在体外模拟的炎症微环境下，间充质干细胞的成骨分化显著降低，同时软骨细胞外基质的沉积也有所减少。经含金属-有机框架纳米酶的复合凝胶处理后，间充质干细胞的成骨分化以及软骨细胞外基质的表达均能够维持于较高水平。此外，Nrf-2/SOD-1、HO-1抗氧化通路的相关基因表达显著提高。
图4 复合凝胶的改善炎症微环境的能力评估
蛋白组学分析表明，经含金属-有机框架纳米酶的复合凝胶处理后，成骨相关通路蛋白和抗氧化相关蛋白的表达水平显著提高，凋亡和炎症相关通路下调，进一步证实了复合凝胶发挥生物学功能的内在机制。
图5 蛋白组学分析
最后，在兔骨-软骨全层缺损模型中植入复合凝胶12周后，大体评估、micro-CT和组织学分析（HE、S/O、甲苯胺蓝染色，免疫组化）等结果表明，复合凝胶有效促进了关节软骨和软骨下骨的修复再生。
图6 体内动物实验
综上所述，本研究制备了一种新型含金属-有机框架纳米酶的丝素凝胶，其通过在损伤部位发挥抗炎、抗氧化和抗菌作用，为骨-软骨缺损的内源性再生提供支持性微环境，以促进骨-软骨缺损一体化修复再生。
