重庆医科大学白燕/西南医院李江峰《AFM》：一种基于协同级联疗法的Janus纤维膜通过介导能量代谢途径的转化来驱动骨再生

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-12 07:50

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骨缺损的再生修复是一个动态复杂的过程，涉及多个 细胞群体的时空协同、生物活性分子的精密调控以及信号通路的级联响应 。如何实现 不同生长因子 在骨再生不同阶段的精确调控发挥其 协同级联治疗具有重要意义 。尽管当前的研究在生长因子诱导骨再生相关机制方面已取得了巨大进展，但其通过调控细胞能量代谢重编程影响骨再生的深层机制仍待阐明。

基于此，近期， 重庆医科大学白燕教授团队 与 西南医院李江峰副研究员团队 合作设计出一种新型代谢活化的Janus纤维膜，通过内层纤维实现生长因子控释协同调节BMSCs的能量代谢，并通过外层纤维提供可持续的抗菌活性和屏障功能从而驱动细胞成骨分化和骨再生，该研究为骨再生提供一种新的治疗策略。

相关工作以“A Coordinated Cascade Therapy-Based Janus Fibrous Membrane Drives Bone Regeneration through Mediating the Transformation of Energy Metabolism Pathway”为题发表在《 Advanced Functional Materials 》。 成锡婷（重庆医科大学2024届硕士毕业生） 、徐娜及吴昊为本论文的共同第一作者，通讯作者为重庆医科大学白燕教授和西南医院 李江峰 副研究员。

【 Janus纤维膜的制备及表征 】

本研究旨在构建一种多功能纳米纤维膜，该膜可以通过控制生长因子释放来有效地调节BMSCs的能量代谢，以实现高效骨再生（图1 ）。研究者们采用静电纺丝技术制备了定向PCL /PLGA@ZnO纤维并结合同轴静电纺丝和LBL技术制备了负载BMP-2（在核内）和aFGF（在壳内）的核壳Gelatin/PLLA纳米纤维。内层Gelatin@BMP-2/PLLA@aFGF纳米纤维根据骨再生的级联逻辑次第释放不同的生长因子，从而在整个骨修复过程中实现BMP-2的缓慢释放，并在早期快速释放aFGF（图2 ）。

图1. Janus多功能纤维膜的制备、应用、生物活性功能和机制。

图2. Janus纤维膜的制备及表征

【 Janus纤维膜体外成骨效应及能量代谢机制 】

本研究进一步验证了aFGF和BMP-2从Janus纤维膜内层的双重释放能够协同促进了BMSCs的成骨分化（图3 ）。并且通过基因组学筛选结果发现控释双生长因子的Janus纤维膜诱导BMSCs成骨分化的能力与氧化磷酸化、谷胱甘肽代谢和PI3K-AKT信号通路密切相关（图4 ）。而后证实，负载生长因子的Janus纤维膜能够激活BMSCs的PI3K-AKT信号通路，一方面通过改善GLUT4和葡萄糖能量代谢相关酶（糖酵解的PFKM和TCA的IDH2）的表达显著提高了葡萄糖衍生的OXPHOS水平，另一方面提高了BMSCs内部的水平，消除了过量的ROS，并保持了成骨分化所需的低ROS微环境。最后，这种协同效应促使成骨基因的转录表达增加，并诱导BMSCs的成骨分化（图5 ）。

图3. Janus纤维膜的体外成骨功能

图4. RNA-seq揭示Janus纤维膜诱导BMSCs成骨分化的潜在机制

图5. Janus纤维膜成骨机制的研究

【 Janus纤维膜体内骨修复效果评估 】

最后，研究建立了大鼠临界尺寸的颅骨缺损模型评估Janus纤维膜对体内血管和骨形成的影响。结果表明，Janus纤维膜具有明显骨诱导能力，进一步证实以时间控制的方式双重释放aFGF和BMP-2的控释系统可以在体内产生更好更快的血管和骨再生（图6 ）。

图6. Janus纤维膜的体内引导骨再生和血管形成

总结：研究采用同轴静电纺丝和LBL自组装技术，成功制备了一种基于协同级联疗法的Janus纤维膜。结果表明，OXPHOS（氧化磷酸化）作为主要能量供应途径的显著增强，是驱动Janus纤维膜诱导BMSCs（骨髓间充质干细胞）成骨分化的关键因素。此外，Janus纤维膜的外层结构能够有效防止上皮细胞侵袭和细菌感染，而其核壳内层的纳米纤维则实现了aFGF和BMP-2的顺序释放，从而在体外和体内实验中显著促进了血管生成和骨再生。本研究不仅揭示了生长因子通过调控能量代谢途径驱动骨再生的协同机制，还为组织工程领域提供了重要的理论依据和潜在应用前景。

作者简介：

白燕，重庆医科大学教授，博士生导师，博士后合作导师，巴渝青年岐黄学者，重庆市创新人才培养优秀指导教师。主要从事生物材料与再生医学、创新药物递送系统等领域的研究，主持国家自然科学基金面上项目等科研课题10余项，发表高水平学术论文30余篇，申请国家发明专利5项，参编学术专著1部、国家级规划教材3部，编制行业标准1部。担任国家级和省部级科研基金审评专家，教育部学位论文审评专家，Carbohydrate Polymers、Composites Part B、International Journal of Biological Macromolecules等SCI期刊特约审稿人。

李江峰 ，陆军军医大学第一附属医院烧伤科副研究员，主要从事生物活性离子材料诱导组织再生修复以及临床应用的研究，重点围绕细胞能量代谢驱动组织再生修复开展研究。入选创伤与化学中毒全国重点实验室固定成员，陆军军医大学“红医苗圃人才计划”，“西南优青”学术英才。先后主持国家自然科学基金面上项目、青年基金、中国博士后科学基金面上项目等国家/省部级课题6项。近三年，以第一作者或通讯作者在AFM、ACSNano等国际权威期刊上发表学术SCI论文10篇, 其中其中IF＞10 的6篇，申请国家发明专利6项。

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