AFM|3D打印的酶功能化支架可促進糖尿病骨再生

​近期,，深圳大學黃鵬教授團隊與上海九院Wang Xiansong教授團隊在Advanced Fucntional Materials上發(fā)表題為“3D Printed Enzyme‐Functionalized Scaffold Facilitates Diabetic Bone Regeneration”的文章,。
摘要：糖尿病（DM）患者遭受骨折的風險很高,，并且骨愈合能力差,。在臨床上沒有有效的療法可用于治療糖尿病性骨缺損。本文提出了一種3D打印的酶功能化支架,，該支架具有多種生物活性,，包括在糖尿病情況下的成骨作用，血管生成和抗炎作用,。所準備的多功能支架由藻酸鹽,，葡萄糖氧化酶（GOx）和過氧化氫酶輔助的生物礦化磷酸鈣納米片（CaP @ CAT NSs）組成。支架內的GOx可以通過將葡萄糖和氧氣催化為葡萄糖酸和過氧化氫（H 2 O 2）來緩解高血糖環(huán)境,。兩者都產生H 2 O 2CaP @ CAT NSs可以清除DM中過量產生的H 2 O 2,，而引發(fā)的低氧微環(huán)境則刺激新生血管形成。此外，CaP @ CAT NSs的摻入不僅增強了支架的機械性能,，而且還通過降解的Ca 2+和PO 4 3-離子促進了骨再生,。出色的體外和體內結果表明，酶功能化支架可以成為增強糖尿病條件下骨組織再生的有效策略,，從而增強了多功能支架在糖尿病性骨再生中的潛力,。

文章簡述

納米結構的CaP由于其天然的類骨成分，高的比表面積,，可控制的生物降解性和藥物負載能力而被廣泛用于骨組織再生,。但是，制備方法需要嚴格的條件或引入有毒物質,。相反,，仿生礦化方法可以提供一種溫和而“綠色”的過程，以借助生物分子直接合成具有復雜結構的納米結構CaP,。在這項研究中,，CAT被用作生物分子，并使用改良的生物礦化方法,。成功制造了CaP @ CAT雜化物,，該雜物被批準為具有納米片形態(tài)的透鈣磷石相，而純CaP是具有微尺度的片狀,。值得注意的是,，CaP @ CAT NSs擁有H 2 O 2。清除能力并降低RAW 264.7巨噬細胞的炎性基因表達（TNF-α,，IL-1β）,，表明CaP @ CAT NSs可以用作抗氧化劑來治療糖尿病條件下產生的ROS。此外,，在3D打印的Alg支架中引入CaP MS和CaP @ CAT NSs顯著增強了支架的機械性能,，特別是對于3D打印的Alg / CaP @ CAT支架，與純的支架相比,，其抗壓強度提高了1.53倍Alg支架,。盡管3D打印的Alg / CaP @ CAT支架顯示出均勻的大孔結構，高機械性能和H 2 O 2 清除活性使它們成為用于糖尿病骨再生的最先進的多功能支架,，在糖尿病缺損區(qū)域中持續(xù)的高血糖環(huán)境更加令人關注,。

DM患者患有胰島素功能不全/抵抗，并以高血糖為特征,。高血糖環(huán)境以多種方式顯著影響骨相關細胞,。據報道，高濃度的葡萄糖會抑制成骨細胞的增殖和分化,，降低骨髓間充質干細胞的成骨潛能,，和脂肪組織衍生的間質干細胞,。因此，降低糖尿病性骨缺損中的葡萄糖濃度將對骨再生非常有益,。為了降低糖尿病性骨缺損中的血糖水平,，本研究應用了GOx，它可以特異性和有效地進行葡萄糖的催化氧化,。通過簡單地將GOx固定在Alg水凝膠中,，制備了Alg / GOx / CaP @ CAT支架。觀察到葡萄糖持續(xù)下降,，這進一步促進了rBMSC的增殖和成骨分化,。值得一提的是，GOx和CAT的級聯(lián)反應不僅可以加速葡萄糖的消耗,，而且可以將H 2 O 2抑制在安全范圍內（小于30 μm）,。

除了成骨作用，血管化在骨重建過程中也起著關鍵作用,。先前的研究表明,，具有血管生成活性的支架可以刺激缺損部位更多的骨形成。已經探索了各種方法,，例如加載血管生成劑或創(chuàng)建血管化的微管。另一種簡單的血管化策略是構建低氧微環(huán)境,，該環(huán)境能夠激活HIF-1α并刺激血管化,。本研究表明，級聯(lián)反應可以使O 2持續(xù)消耗導致無需添加其他藥物即可直接在糖尿病性骨缺損中產生低氧微環(huán)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）表達明顯上調，證實了3D打印的Alg / GOx / CaP @ CAT支架非常適合DM條件下的血管化骨再生,。

為了進一步評估DM條件下3D打印的Alg / GOx / CaP @ CAT支架的體內骨骼再生,。由于T2DM占了DM病例的90％以上，因此建立了T2DM中的大鼠顱骨骨缺損模型,。如預期的那樣,，結果顯示，與其他支架相比,，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,，通過將酶誘導的級聯(lián)反應與3D打印的骨組織工程支架相結合，開發(fā)了一種具有增強治療功效的多功能支架，專門用于糖尿病骨再生,。

打印支架各種性能表征

免疫熒光分析

體內動物實驗

參考文獻

3D Printed Enzyme‐Functionalized Scaffold Facilitates Diabetic Bone Regeneration[J]. Advanced Functional Materials, 2021.

https://doi.org/10.1002/adfm.202101372

文章來源：微信公眾號  上普生物