西柚苷和柚皮苷通过恢复人成骨细胞中的线粒体氧化还原稳态，减轻钛镁合金引起的毒性作用

《Journal of Taibah University for Science》：Hesperidin and naringenin mitigate titanium and magnesium alloy-induced toxicity by restoring mitochondrial redox homeostasis in human osteoblasts

钛和镁合金植入物因毒性导致骨细胞损伤，本研究评估了橙皮苷（NG）和柚皮素（HD）的保护作用。结果显示，Ti和Mg在剂量依赖性下显著降低骨细胞活力，引发遗传毒性、炎症反应、氧化应激和凋亡。联合处理使用80 μM的NG或HD（尤其是HD）显著缓解了这些负面影响，并通过生物信息学验证了抗氧化、抗炎和抗凋亡机制。研究结果为提高钛和镁合金植入物的生物相容性提供了新思路。

　　钛和镁作为常见的生物医用植入材料，因其优异的生物相容性和机械强度被广泛应用于骨科领域，如膝关节和股骨等承重部位。然而，它们在某些浓度下可能会对骨细胞产生毒性作用，影响植入物的骨整合能力，甚至引发炎症反应和氧化应激，从而对患者的健康造成潜在威胁。为了解决这一问题，研究者们开始关注天然化合物的保护作用，尤其是黄酮类物质如柚皮苷（Hesperidin, HD）和橙皮苷（Naringenin, NG），它们具有抗氧化、抗炎和抗凋亡等多重功能，可能在减轻金属植入物的毒性方面发挥重要作用。

### 金属毒性与骨细胞的挑战

钛和镁在生物医学植入物中的使用虽然具有显著优势，但其长期暴露可能引发一系列不良反应。这些金属离子或微粒可能迁移至远处组织，造成慢性毒性，包括超敏反应、染色体异常或致癌风险，也可能导致短期的炎症反应和组织损伤。特别是在高浓度下，钛和镁会显著降低骨细胞的存活率，并引发DNA损伤、线粒体功能障碍、细胞凋亡和炎症反应。例如，当细胞暴露于600 μg/ml的钛或镁时，其存活率分别降至57.1%和46.2%。此外，钛和镁还会影响细胞分泌功能，降低Ⅰ型胶原蛋白前肽、骨钙素（Osteocalcin）和碱性磷酸酶（ALP）的水平，这些分子在骨形成过程中起着关键作用。

值得注意的是，钛和镁对细胞的毒性机制是多方面的。它们不仅会干扰细胞内的氧化还原平衡，还会降低细胞的ATP水平和线粒体膜电位，影响细胞的能量代谢。同时，钛和镁还会引发过量的活性氧（ROS）产生，导致脂质过氧化，进一步加剧细胞损伤。这些变化与抗氧化酶如过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性下降有关，同时也与抗氧化基因如Nrf2和HO-1的表达减少相关。这些发现表明，钛和镁在一定条件下会对骨细胞造成严重影响，从而影响植入物的长期稳定性和功能。

### 黄酮类物质的保护作用

为了应对钛和镁的潜在毒性，研究团队选择了两种黄酮类物质——柚皮苷和橙皮苷进行评估。这两种化合物广泛存在于柑橘类水果中，具有多种生物活性。研究结果表明，它们在80 μM浓度下能够显著改善骨细胞的存活率，降低钛和镁诱导的细胞毒性。在与钛或镁共处理的实验中，柚皮苷表现出更显著的保护作用，尤其是在细胞凋亡和氧化应激方面。

通过MTT实验，研究发现柚皮苷在80 μM浓度下能够使细胞存活率提高至128%，而橙皮苷则提高至117.1%。这表明这两种黄酮类物质对细胞具有良好的保护作用，且柚皮苷的效果更为突出。此外，它们还能显著降低钛和镁引起的DNA损伤，通过碱性彗星实验评估，钛和镁在600 μg/ml浓度下导致DNA尾部长度增加，而柚皮苷和橙皮苷的加入可以有效缓解这一现象。

在炎症反应方面，钛和镁会显著增加促炎因子如IL-1、IL-6和TNF-α的分泌，而柚皮苷和橙皮苷则能够抑制这些因子的释放。通过ELISA检测，研究发现柚皮苷对炎症反应的抑制效果更明显，说明其在调节免疫反应方面具有更大的潜力。此外，黄酮类物质还能调节细胞内的氧化应激水平，降低ROS的生成，同时提升CAT和SOD的活性，从而增强细胞的抗氧化能力。

### 线粒体功能与细胞凋亡的调控

线粒体作为细胞能量代谢的中心，其功能状态对细胞的生存至关重要。钛和镁会破坏线粒体膜电位，降低ATP的生成，导致细胞能量代谢障碍。这种线粒体功能障碍可能进一步引发细胞凋亡。研究中，通过检测Caspase-3、Caspase-8和Caspase-9的活性，发现钛和镁在高浓度下会显著促进细胞凋亡。然而，当与柚皮苷或橙皮苷共处理时，这种凋亡效应被有效抑制。柚皮苷表现出更强的抗凋亡能力，这可能与其调节Bcl-2/Bax比值有关。Bcl-2是一种抗凋亡蛋白，而Bax则促进凋亡，两者的比例变化对细胞存活具有决定性影响。柚皮苷能够提升Bcl-2的表达，从而减少细胞凋亡的发生。

### 生物信息学验证与综合分析

为了进一步确认钛和镁的毒性机制以及柚皮苷和橙皮苷的保护作用，研究团队进行了生物信息学分析。通过Comparative Toxicogenomics Database（CTD）等工具，研究人员发现钛和镁可能与多种基因相互作用，包括与炎症和凋亡相关的基因。例如，钛可能影响TNF、IL1β、CCL2、IL6和PTGS2等基因的表达，而镁则可能与TRPM7、CCND1、CASR、ANAXA1和Akt1等基因相关。这些基因在细胞信号传导、氧化应激和凋亡过程中起着关键作用。

同时，生物信息学分析也揭示了柚皮苷和橙皮苷的分子机制。它们可能通过调控Nrf2/HO-1信号通路，增强细胞的抗氧化能力，从而减轻钛和镁的毒性。Nrf2是一种重要的转录因子，能够激活抗氧化应答元件（AREs），进而提升抗氧化酶的表达。HO-1则是一种关键的抗氧化酶，能够通过生成胆绿素、一氧化碳和游离铁，发挥抗炎和细胞保护作用。柚皮苷和橙皮苷的加入不仅能够上调Nrf2和HO-1的表达，还能降低促炎因子和凋亡相关蛋白的水平，从而增强细胞的存活能力。

此外，通过主成分分析（PCA）和热图分析，研究人员对不同实验组的生物标志物进行了系统性评估。PCA结果显示，钛和镁的高浓度处理显著改变了细胞的组成特征，而柚皮苷和橙皮苷的加入则能够逆转这些变化。热图分析进一步揭示了各组在氧化应激、炎症和凋亡等指标上的差异，其中柚皮苷的保护作用更为显著。

### 临床意义与未来方向

本研究的发现对于改善生物医用植入物的性能具有重要的临床意义。钛和镁虽然在骨科应用中非常常见，但它们的毒性效应可能影响植入物的长期稳定性和患者的康复效果。通过引入柚皮苷和橙皮苷等天然化合物，可以有效缓解这些毒性效应，从而提高植入物的生物相容性。这些黄酮类物质不仅能增强骨细胞的抗氧化能力，还能减少炎症反应和细胞凋亡，提高细胞的存活率和功能表现。

然而，尽管本研究在体外环境中验证了这些化合物的保护作用，但在实际临床应用中仍需进一步研究。体外实验虽然能够提供初步的分子机制，但体内环境更为复杂，涉及多种生物因素和生理条件。因此，未来的实验应更多地关注体内模型，以评估这些化合物的长期效果和安全性。此外，研究还应探讨柚皮苷和橙皮苷之间的协同作用，以及它们与其他天然化合物或药物的联合应用是否能够产生更显著的保护效果。

### 总结

综上所述，钛和镁在高浓度下会对骨细胞产生显著的毒性效应，包括细胞凋亡、DNA损伤、线粒体功能障碍和炎症反应。柚皮苷和橙皮苷作为天然黄酮类物质，能够有效缓解这些毒性效应，提升骨细胞的存活率和功能。它们通过多种机制发挥作用，包括调节氧化应激、抑制炎症反应和维持线粒体功能。这些发现为开发新型生物医用材料提供了新的思路，同时也为临床应用中的抗炎和抗氧化策略提供了理论依据。未来的研究应进一步探索这些化合物在体内的效果，并评估其在实际临床环境中的应用潜力。