利用具有解剖结构和生物相容性的、富含羟基磷灰石的海绵状水凝胶3D模型，研究TNF-α在骨组织中引发的炎症反应

《Biomedical Engineering Advances》：TNF-α driven inflammation in bone tissues using an anatomical- and bio-integrated hydroxyapatite-enriched spongy-like hydrogel 3D model

本研究构建了3D皮质-松质骨模型，模拟急性炎症下的骨重塑过程。通过添加不同浓度TNF-α，发现高剂量（100 ng/mL）显著抑制Ⅰ型胶原合成（3天53%，7天82%），并剂量依赖性上调IL-1β、IL-6等炎症因子基因表达和蛋白释放。7天后炎症因子释放减少，提示急性炎症向修复期转变。该模型为骨炎症研究提供了新工具，并支持抗TNF-α治疗可能有效。

　　骨科炎症性疾病，如骨质疏松症，是全球影响人数超过2亿的重要健康问题。这些疾病不仅影响骨骼结构的稳定性，还对患者的生活质量造成严重影响，增加了骨折风险，提高了疾病相关的发病率和死亡率，同时增加了医疗成本。尽管目前已有多种治疗方案，但这些方法在实际应用中仍存在局限性，尤其是在处理慢性炎症时。因此，探索新的治疗方法，特别是针对炎症的靶向干预策略，显得尤为重要。

为了深入理解急性炎症如何演变为慢性炎症并导致骨质疏松，研究人员开发了一种新的三维（3D）骨模型，模拟了骨质疏松症早期的炎症过程。该模型基于胶原蛋白和羟基磷灰石（HAp）制成的海绵状水凝胶，模拟了人体中皮质骨和松质骨的结构。外层结构由人骨髓间充质干细胞（HBM-MSCs）组成，模拟皮质骨；内层则包含人真皮微血管内皮细胞（HDMECs）和HBM-MSCs，模拟松质骨。通过添加肿瘤坏死因子-α（TNF-α）并持续7天，研究人员评估了该模型在血管形成、成骨和炎症反应方面的表现。

在该研究中，TNF-α对细胞存活率和代谢活性的影响被评估。结果显示，TNF-α的添加并未显著降低细胞存活率，也未明显影响代谢活动。然而，当TNF-α浓度达到100 ng/mL时，它显著抑制了I型胶原蛋白（COL I）的合成，分别在第3天和第7天降低至53%和82%。这表明，虽然TNF-α对成骨细胞的活性有一定抑制作用，但其对细胞存活的影响较小，这为研究其在骨质疏松中的作用提供了重要依据。

此外，研究人员还评估了TNF-α对促炎细胞因子（如IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α、MCP-1和M-CSF）的表达和释放。结果显示，这些细胞因子的表达和释放呈现剂量依赖性上升趋势。例如，100 ng/mL的TNF-α在第3天和第7天分别使IL-6的基因表达增加2.96倍和5.69倍。这表明，TNF-α在高浓度下能够显著激活炎症反应，但其影响并非持续不变，而是随着时间推移逐渐减弱。例如，从第3天到第7天，TNF-α、IL-1β和IL-6的蛋白释放量显著下降，显示出急性炎症反应的自然消退过程，这与骨骼修复过程中的炎症缓解阶段相似。

这一发现强调了TNF-α在急性炎症向慢性炎症转化过程中的双重作用。在急性阶段，它能够促进炎症反应，但随着炎症的自然消退，其影响逐渐减弱，为骨骼修复提供了有利条件。然而，如果炎症未能及时缓解，TNF-α的持续存在可能导致慢性炎症状态，进而引发骨质疏松等疾病。因此，研究急性炎症如何演变为慢性炎症，并探索其背后的分子机制，对于开发新的治疗策略至关重要。

为了进一步了解TNF-α对血管生成的影响，研究人员评估了多种血管生成因子（如VEGF、bFGF、ANGIO-1和PDGF-BB）的释放情况。结果显示，这些因子的释放不受TNF-α浓度的影响，但VEGF的水平在第3天到第7天之间显著下降，这可能反映了机体对高浓度炎症因子的反馈调节机制。这表明，尽管TNF-α在短期内可能促进血管生成，但长期的高浓度暴露可能导致血管生成的抑制，从而影响骨骼修复过程。

研究还发现，TNF-α的添加显著影响了促炎细胞因子的释放，但在某些情况下，其影响会随着时间推移而减弱。例如，100 ng/mL的TNF-α在第3天到第7天之间，导致IL-1β、IL-6和TNF-α的蛋白释放量显著下降。这一结果表明，急性炎症反应在体内可以自然消退，为骨骼修复提供了时间窗口。然而，如果这种消退未能及时发生，炎症可能会持续，导致慢性骨病。

此外，研究还发现，TNF-α的添加并未显著影响IL-10的表达和释放，IL-10作为一种抗炎细胞因子，能够抑制NFATc1的表达，减少RANKL和M-CSF的产生，从而抑制破骨细胞的分化和活性。这说明在急性炎症过程中，促炎细胞因子的作用占主导地位，而抗炎细胞因子可能在后期发挥作用。

综上所述，该研究开发的3D骨模型成功模拟了急性炎症的演变过程，为研究骨质疏松等炎症性骨病提供了新的工具。该模型不仅能够评估TNF-α对成骨和血管生成的影响，还能观察其对炎症反应的调控作用。未来的研究可以进一步优化该模型，使其更接近人体生理环境，例如引入破骨细胞和免疫细胞，模拟更复杂的炎症环境。此外，还可以研究不同炎症因子的组合对骨代谢的影响，以及如何通过靶向治疗策略干预这些过程，以期为骨质疏松等疾病的治疗提供新的思路。