一种受鹿茸启发的新型骨移植物可触发快速骨再生

研究人员首先通过脱细胞技术成功获取了鹿茸的天然骨骼结构（ antler-DCB; 图 1A 、 B ）。体内实验证明，将不同物种来源的 DCB 植入大鼠股骨缺损 12 周后，鹿角 DCB 组在骨密度、骨组织体积 / 总组织体积和小梁厚度等方面均表现出更高的值（图 1Q-U ），其促进新骨形成的能力显著优于市售 DCB 。

随后，研究人员提取了 EVsABPC ，其中包含源自 ABPC 的各种生物活性成分。对它们的特性进行了表征，并与使用最广泛的 EVsBMSC 进行对比 ( 图 2A ）。 ABPC 来源的 EV 携带更多与细胞周期、细胞运动、伤口愈合、血管生成及成骨相关的生物活性分子（图 2D ）。通过 RNA 转录组学和蛋白质组学分析，研究人员发现 ABPC 和 BMSC 来源的 EV 之间差异表现在多种生物过程中，包括细胞增殖、迁移、成骨分化以及炎症反应和氧化应激的调节。同时实验证明， ABPC 来源的 EV 对 BMSC 具有显著的趋化效应，能够促进 BMSC 的迁移和增殖（图 2J -N ）。

此外， EVsABPC 还能诱导 BMSC 产生有利于组织再生的表型（图 3A ），包括增强成骨相关基因的表达和钙矿物质沉积（图 3B-G ）。 EVsABPC 处理后的 BMSC 在转录组谱上与 ABPC 更为相似（图 3H ， I ）。进一步的分析还发现了 KMT2A 作为 ABPC 来源 EV 中的关键分子，在调节 BMSC 增殖和成骨分化过程中发挥重要作用（图 3T ， U ）。

接下来，研究人员构建了一种受鹿角启发的骨移植物（ antler-DCB@EVsABPC ），通过将外泌体 EVsABPC 封装在 HAMA 水凝胶中， HAMA 水凝胶与 EV 的 VCAN 结合，实现了 EV 的逐渐释放，维持长期对骨再生的有效促进（图 4A ）。带负电荷的 HAMA 水凝胶与带正电荷的鹿角 -DCB 形成强大界面电子相互作用，赋予其优异的结构和孔径分布（图 4I-L ）。体内实验表明，该复合材料表现出较慢的降解动力学和持续的 EV 释放，至少可达 18 天（图 4M- O ）。同时，该材料还展现出优异的亲水性（图 4P ）和良好的生物相容性（图 4Q ）。

之 后，研究人员建立了大鼠股骨髁缺损模型，评估 DCB@EVsABPC 的成骨活性。与未治疗组中骨骼生长有限相比，植入鹿角 DCB 的大鼠中观察到更多新骨形成，而引入生物活性 EVs 的鹿茸 DCB 进一步增强了成骨潜力（图 5C ）。 MicroCT （图 5D ）和组织学分析证实了鹿茸 DCB@EVsABPC 的成骨能力，其新骨形成量最多（图 5B ），且矿化率显著提高（图 5F ），成骨标志物表达也最高（图 5G ）。值得注意的是，鹿茸 DCB@EVsABPC 组在术后 2 周时，骨缺损区域的骨髓间充质干细胞（ BMSC ）数量明显更高（图 5H ， I ），表明其能募集更多 BMSC 至损伤部位，有助于骨骼形成。 RNA-seq 分析显示，鹿茸 DCB@EVsABPC 组与其他组相比，有大量的差异表达基因（ DEGs ）（图 5J ）。

鹿茸的快速生长伴随着血管的快速扩张。血管生成相关的蛋白质如 ADAM12 、 DOCK4 和 THBS2 ，在 EVsABPC 中显著富集 ( 图 6A-C ）。用鹿角 DCB@EVsABPC 干预 HUVECs24h 后， 细胞的迁移能力显著改善，跨膜细胞数量显著提高（图 6F ， H ）。同时体内（图 6J ）和体外（图 6G ， I ）成血管实验都证明了， antler-DCB@EVsABPC 组中观察到更成熟的管状结构和更高密度的细胞连接。总的来说，这些结果表明 antler-DCB@EVsABPC 表现出很强的促血管生成能力，促进新血管形成以支持广泛的新骨形成。

快速神经再支配对于骨骼发育和再生至关重要。本研究发现， ATP2B2 、 IGFBP5 、 GIT1 和 SMG9 等神经源性蛋白在 EVsABPC 中显著富集 ( 图 7A–C ），鹿茸 DCB@EVsABPC 在体内植入后能促进神经生长（图 5J ）。在体内骨再生过程中，鹿角 DCB@EVsABPC 表现出最高的感觉神经纤维标志物 CGRP 表达（图 7K-M ）和胆碱能神经的转变显著升高（图 7N-P ）。这些发现揭示了 EV 在神经再生和骨再生中的重要作用。

巨噬细胞表型转变在免疫调节和骨再生中也起着关键作用，因此研究人员探索了 EVsABPC 对巨噬细胞表型转换的影响。研究发现， EVsABPC 中多种炎症相关蛋白下调，并且能诱导巨噬细胞从 M1 向 M2 极化（图 8D ， E ， F ）。体内实验显示，鹿茸 DCB@EVsABPC 组 M1 巨噬细胞面积最小， M2 表型区域最大（图 8H ， I ）。这些结果表明， EVsABPC 具有强大的免疫调节能力，能促进巨噬细胞表型转换并减轻炎症反应，有助于骨骼生长和再生。

综上所述 ，本研究成功构建了一种结合鹿角 DCB 和 EVsABPC 的骨移植物。鹿角启发的骨移植物通过 KMT2A 将 BMSCs 转化为具有 ABPC 样表型和转录组特征的细胞，促进体外和体内的快速骨形成。此外，在快速成骨过程中，基于鹿角的移植物协调了血管形成、神经发生和免疫调节，部分模仿了早期鹿角生成过程。该研究为构建人工骨移植物提供了一条崭新的思路。

本研究由 来自第四军医大学西京医院的黄景辉 教授团队完成，并于 2024 年 12 月 20 日在线发表于 Adv. Mater 。

文献信息： S. Li*, Y. Yang, B. Yu, X. Gao, X. Gao, S. Nie, T. Qin, Y. Hao, L. Guo, H. Wu, T. Ma, Y. Zheng, D. Geng, J. Gao, B. Xue, Y. Zhang, S. Yang, Y. Wei, B. Xia*, Z. Luo*, Q. Qiu*, J. Huang*, A Novel Deer Antler-Inspired Bone Graft Triggers Rapid Bone Regeneration. Adv. Mater. 2024, 2411571.

供稿：高仕杰

审校：陈嵩

编辑：许雅豪