含有锶的生物活性玻璃纳米颗粒在共培养条件下能够促进骨形成并抑制破骨细胞的生成

《Advanced Healthcare Materials》：Strontium-Containing Bioactive Glass Nanoparticles Stimulate Osteogenesis and Suppress Osteoclast Formation in Co-Culture

锶生物活性玻璃纳米粒子及其溶解产物通过抑制TRAP活性及多核破骨细胞形成，减少单细胞培养中破骨细胞分化，并在共培养体系中促进成骨细胞ALP活性及矿化沉积，同时降低RANKL分泌水平，抑制破骨细胞分化。

　　骨组织的形成与分解之间保持平衡对于维持骨骼的完整性至关重要。骨形成主要由成骨细胞完成，而骨分解则主要依赖于破骨细胞的活动。成骨细胞和破骨细胞之间的动态交流是骨质量和重塑过程的关键因素。当这两种细胞的活动出现不平衡时，会导致多种骨疾病的发生，例如骨质疏松症。破骨细胞是由单核前体细胞融合形成的分化细胞，它们的形成受到多种信号通路和细胞间相互作用的调控。其中，受体激活剂核因子κB配体（RANKL）作为主要的破骨细胞分化因子，通常由成骨细胞或骨髓基质细胞产生，并通过与破骨细胞前体上的RANK受体结合，促进其分化为成熟的破骨细胞。RANKL在破骨细胞分化过程中起着核心作用，其存在会促使单核细胞融合，形成多核的破骨细胞。破骨细胞的形成是其分化过程中的关键步骤，而酒石酸盐酸磷脂酶（TRAP）则是破骨细胞分化的标志物之一，在破骨细胞形成过程中被表达。

在骨组织工程领域，生物活性玻璃（BGs）因其能够通过形成羟基碳酸钙（HCA）层与骨结合的特性而受到广泛关注。除了其固有的生物活性外，生物活性玻璃纳米颗粒（BGNPs）的溶解产物也被发现能够促进成骨细胞在体外产生更多骨组织。这种材料在生物医学中的应用前景广阔，尤其是在骨质疏松等骨疾病的治疗中。此外，BGNPs的纳米结构特性使其在药物递送方面具有优势，能够更有效地释放活性离子，从而影响细胞功能。通过不同的制备技术，如溶胶-凝胶法、微乳液法和火焰喷涂法，可以控制BGNPs的尺寸和均匀性。例如，通过改进的St?ber方法，可以在溶胶中通过调控pH值来形成球形的二次颗粒，从而获得高度均一的纳米颗粒。

近年来，锶（Sr2?）作为一种重要的治疗离子，因其对成骨细胞的促进作用和对破骨细胞的抑制作用而受到特别关注。这种双重作用机制使其成为治疗骨质疏松症的潜在药物候选者。例如，锶盐（SrR）已被用于临床，但其与心肌梗死风险增加有关，导致其临床应用受到限制。因此，研究者尝试通过将锶掺入生物活性玻璃中，以局部释放的方式实现锶离子的治疗效果，从而减少系统性副作用。将锶取代钙的生物活性玻璃纳米颗粒不仅能够提高锶的生物可利用性，还能够促进细胞摄取，为局部和持续的治疗效果提供了新的思路。

本研究旨在探讨含有锶的生物活性玻璃纳米颗粒（Sr-BGNPs）及其溶解产物对单核细胞分化为破骨细胞样细胞的影响，特别是在单细胞培养和成骨细胞与破骨细胞间接共培养系统中的作用。首先，研究考察了Sr-BGNPs对RAW264.7细胞分化为多核破骨细胞的影响，通过测量细胞活力和TRAP活性来评估破骨细胞的表型标志物。其次，研究在间接共培养系统中评估了Sr-BGNPs及其溶解产物对成骨细胞分化和破骨细胞形成的综合影响，以比较细胞间的相互作用对骨形成和分解的调节作用。通过添加额外的RANKL来模拟成骨细胞与破骨细胞之间的信号交流，进一步研究了这种相互作用对细胞响应的影响。

实验中使用的Sr-BGNPs含有两种不同的锶含量：4.4 mol% SrO和9.4 mol% SrO。这些纳米颗粒的制备采用了改进的St?ber方法，通过调控pH值和化学反应条件，实现了高度均一的尺寸和形态。为了评估其对细胞的影响，实验采用了一系列方法，包括细胞活力检测、TRAP活性测定和荧光显微镜观察。结果显示，当RAW264.7细胞暴露于250 μg/mL浓度的Sr-BGNPs时，其代谢活性呈现剂量和时间依赖性下降，但并未导致细胞死亡。这表明，尽管高浓度的Sr-BGNPs对细胞有一定影响，但其在特定浓度范围内仍然具有一定的生物相容性。

在单细胞培养条件下，TRAP活性的显著下降表明Sr-BGNPs对破骨细胞的形成具有抑制作用。这种抑制作用不仅体现在直接暴露于纳米颗粒的细胞中，也体现在间接接触其溶解产物的细胞中。此外，实验还发现，当将成骨细胞（MC3T3-E1）与破骨细胞前体（RAW264.7）共培养时，Sr-BGNPs及其溶解产物能够显著促进成骨细胞的分化，表现为ALP活性的增加和矿化基质的形成。同时，这些纳米颗粒还能抑制破骨细胞的形成，减少TRAP活性和多核破骨细胞的数量。这种双重效应表明，Sr-BGNPs在促进骨形成的同时，也能够抑制骨分解，从而在骨质疏松症的治疗中具有重要潜力。

研究还发现，当在共培养系统中加入RANKL时，成骨细胞的RANKL分泌水平显著降低，这进一步支持了Sr-BGNPs通过抑制RANKL的分泌来减少破骨细胞形成的观点。RANKL作为破骨细胞分化的关键调节因子，其分泌水平的降低意味着成骨细胞对破骨细胞形成的支持作用被削弱。这一结果表明，Sr-BGNPs不仅能够直接影响破骨细胞的分化，还能通过调节成骨细胞的信号通路间接影响破骨细胞的形成。

此外，研究还发现，当将Sr-BGNPs与成骨细胞共培养时，其对成骨细胞的促进作用在不同条件下均有所体现。例如，在基础培养条件下，9.4Sr-BGNPs能够显著提高成骨细胞的ALP活性和矿化基质的形成。而在添加了骨生成促进剂（如L-抗坏血酸、β-甘油磷酸和地塞米松）的培养条件下，这种促进作用更加明显。这表明，Sr-BGNPs与骨生成促进剂的协同作用能够增强成骨细胞的分化能力，从而更有效地促进骨形成。

综上所述，本研究的结果表明，含有锶的生物活性玻璃纳米颗粒在体外环境中能够同时促进成骨细胞的分化并抑制破骨细胞的形成。这种双重作用机制使其在骨质疏松症的治疗中具有独特的优势。通过单细胞培养和间接共培养系统，研究揭示了Sr-BGNPs在不同条件下对骨形成和分解的调控作用。这些发现不仅为新型骨修复材料的开发提供了理论依据，也为未来基于骨重塑机制的治疗策略提供了参考。此外，研究还强调了在实际应用中，应进一步探讨这些纳米颗粒与其他治疗手段的协同效应，以优化其在临床中的使用效果。