基于生物信息学的基因靶向平台，用于实现黄金抗癌策略的递送

《Materials Today Bio》：Bioinformatics driven in gene targeting platform for gold anticancer strategy delivery

本研究构建了RGD@DEXMA/DOPA-P24/Mn3O4复合水凝胶，通过Mn3O4纳米酶清除ROS并调节巨噬细胞极化为M2型，改善免疫微环境；DOPA-P24肽通过自组装和缓释促进BMSCs成骨分化；RGD序列增强水凝胶细胞粘附与增殖能力。体内实验显示该水凝胶显著加速骨再生，促进新骨形成和血管生成。

　　这项研究探讨了一种新型的多功能复合水凝胶在促进骨缺陷修复中的应用。通过结合多种功能成分，该水凝胶不仅能够增强骨组织的再生能力，还能够调节免疫微环境，从而有效减轻炎症反应，提高骨修复效率。水凝胶的设计基于对骨组织工程（BTE）中关键生物活性成分的理解，旨在提供一种能够同时促进细胞附着、增殖以及诱导成骨分化的平台。

研究中，科学家们通过将一种名为Mn?O?的纳米酶与一种经过3,4-二羟基苯丙氨酸（DOPA）修饰的成骨肽P24共同负载到含有RGD序列的DEXMA水凝胶中，构建了RGD@DEXMA/DOPA-P24/Mn?O?复合水凝胶。这种设计的初衷在于解决传统水凝胶在骨修复中的局限性，例如单一功能、难以控制药物释放速率以及无法有效调节免疫反应等问题。通过引入RGD序列，水凝胶能够更好地促进细胞的附着和增殖，为骨组织的再生提供必要的基础。而DOPA修饰则增强了P24的结合能力，并使其在水凝胶中实现持续释放，从而长时间地诱导成骨分化。Mn?O?纳米酶则通过其高效的抗氧化活性，清除细胞内的活性氧（ROS），促进巨噬细胞从促炎型（M1）向抗炎型（M2）的转化，从而改善局部免疫环境，促进血管生成和成骨过程。

水凝胶的结构和性能得到了全面的表征。通过扫描电子显微镜（SEM）观察到，水凝胶具有高孔隙率，平均孔径约为96.8 μm，这种结构有利于细胞的迁移和生长。同时，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，确认了水凝胶中各成分的化学键存在，表明DOPA-P24和Mn?O?成功结合到了水凝胶中。X射线衍射（XRD）分析进一步证实了Mn?O?纳米酶的晶体结构，为后续的生物活性评估提供了理论支持。此外，水凝胶的机械性能也得到了评估，结果显示其具有一定的压缩强度，适合作为骨修复材料。

为了验证水凝胶的生物相容性，研究团队进行了细胞活力检测、细胞骨架染色、溶血实验以及自由基清除能力测试。结果显示，该水凝胶对细胞没有明显的毒性，且能够有效清除自由基，表明其具备良好的抗氧化能力。这些特性使得水凝胶在体内和体外均表现出良好的生物相容性，为后续的骨修复实验奠定了基础。

在免疫调节方面，研究团队通过巨噬细胞极化实验和相关基因表达分析，验证了该水凝胶在调节炎症反应中的作用。实验发现，当巨噬细胞受到脂多糖（LPS）刺激时，水凝胶能够显著降低促炎因子如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-1β（IL-1β）的表达，同时增强抗炎因子如白细胞介素-10（IL-10）和转化生长因子-β（TGF-β）的表达。这表明，该水凝胶能够通过诱导巨噬细胞向M2型极化，有效缓解炎症反应，从而为骨组织再生创造有利的微环境。

在促进血管生成和成骨方面，水凝胶展现出显著的促进作用。通过Transwell迁移实验和管形成实验，研究团队发现该水凝胶能够显著提高人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的迁移能力，并促进其形成血管网络。这说明水凝胶能够有效支持血管生成，为骨组织提供必要的营养和氧气。同时，通过碱性磷酸酶（ALP）活性分析和茜素红S（ARS）染色，水凝胶显著增强了成骨细胞的分化和矿化能力，进一步证实了其在成骨方面的有效性。

在体内实验中，研究人员建立了骨缺损模型，并将不同类型的水凝胶植入缺损部位。通过Micro-CT扫描和组织学分析，发现RGD@DEXMA/DOPA-P24/Mn?O?水凝胶能够显著促进新骨形成，提高骨体积与总体积的比值（BV/TV），并且改善骨小梁的数量和厚度。这些结果表明，该水凝胶在体内环境中能够有效促进骨再生，为临床上的骨缺损修复提供了新的思路。

此外，研究团队还评估了水凝胶对炎症相关细胞因子和组织再生相关细胞因子的影响。结果表明，该水凝胶能够显著降低体内炎症因子如TNF-α的表达，同时增强抗炎因子如IL-10的表达，以及促进血管生成因子如VEGF和成骨因子如OCN的表达。这些变化进一步支持了水凝胶在调节免疫环境、促进血管生成和成骨方面的综合效果。

尽管研究取得了显著进展，但仍然面临一些挑战。例如，大规模生产过程中可能存在批次间的一致性问题，以及对环境条件的敏感性。因此，研究团队建议将水凝胶转化为粉末形式，以便在需要时进行重新配制，从而提高其在实际应用中的稳定性和可控性。此外，DOPA-P24的高成骨效率可能受到生产成本的限制，因此需要进一步优化其合成方法，以降低成本并扩大其应用范围。最后，虽然Mn?O?纳米酶在体外和体内均表现出良好的生物相容性和低代谢毒性，但其在更广泛的临床疾病模型中的效果仍需进一步验证，以确保其在实际应用中的安全性和有效性。

综上所述，这项研究通过构建一种多功能复合水凝胶，成功实现了对骨缺损修复的协同促进。水凝胶不仅能够通过其结构特性支持细胞的附着和增殖，还能够通过调节免疫微环境和清除ROS，有效减轻炎症反应，从而促进血管生成和成骨。这些特性使其成为一种具有广阔应用前景的骨组织工程支架材料，为未来的临床转化提供了坚实的理论基础和技术支持。