Histatin-1 通过在一个缓释水凝胶系统中协调成骨和血管生成反应来促进骨骼再生

《Biomaterials Advances》：Histatin-1 promotes bone regeneration by coordinating osteogenic and angiogenic responses in a sustained-release hydrogel system

Hst1通过激活Wnt/β-catenin通路同时促进骨生成和血管生成，水凝胶递送系统显著提升临界大小骨缺损再生效果。

　　这项研究聚焦于一种名为Histatin-1（Hst1）的唾液肽在骨再生中的双重作用，特别是在促进成骨和血管生成方面的潜力。Hst1是一种富含组氨酸的唾液肽，因其在抗微生物、促进伤口愈合以及调节上皮细胞行为方面的功能而受到关注。然而，其在骨代谢中的作用尚未被充分研究，尤其是在骨再生过程中如何同时激活成骨和血管生成机制方面。当前，骨缺损的修复面临两大挑战：一是缺损部位血管化不足，二是成骨活性有限。这些因素限制了骨组织的再生能力，导致修复效果不理想。

研究团队通过系统性的实验设计，揭示了Hst1在骨再生中的双重作用。首先，在体外实验中，Hst1被证明能够通过激活Wnt/β-连蛋白信号通路，促进大鼠骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨分化。此外，Hst1还能通过旁分泌信号促进血管生成，这一过程对骨组织的再生至关重要。在体内实验中，研究团队采用了一种由氧化海藻酸（OSA）、明胶（GE）和己二酸二肼（ADH）组成的水凝胶，以实现Hst1的持续释放。这种水凝胶被应用于大鼠5毫米的颅骨缺损模型，结果显示，相较于对照组，Hst1负载的水凝胶显著增强了骨再生效果。具体而言，骨体积分数（BV/TV）从8.2%提升至20.0%，同时血管密度增加了3.0倍。这些数据表明，Hst1在促进成骨和血管生成方面具有协同作用，为实现血管化的骨再生提供了新的治疗策略。

在当前的骨再生研究中，传统方法如自体移植、异体移植和骨移植替代品虽然在临床上具有一定的应用前景，但它们的应用仍受到多种限制。例如，自体移植虽然具有良好的生物相容性，但受限于供体来源的不足；异体移植则可能引发免疫排斥反应；而骨移植替代品虽然可以减少供体依赖，但其组织整合能力和血管生成能力仍存在缺陷。因此，寻找一种既能促进成骨又能促进血管生成的生物活性分子，成为研究的重点。

Hst1作为一种小分子的内源性肽，与BMP-2和VEGF等大分子生长因子相比，具有更高的安全性和更低的副作用风险。尽管BMP-2和VEGF在骨再生和血管生成中发挥着关键作用，但它们的临床应用受到剂量依赖性副作用的限制。例如，BMP-2可能引发异位骨化、软组织水肿、骨溶解以及感染风险的增加；而VEGF则可能导致过度的血管增生，进而引发病理性血管生成或促进肿瘤生长。相比之下，Hst1在促进血管生成的同时，能够减少这些潜在的不良反应，使其成为一种更安全的治疗选择。

此外，Hst1的制备过程也相对简便，可以通过唾液提取或化学合成的方式获得，这两种方法相较于BMP-2和VEGF的制备更为高效且成本更低。这有助于其在临床应用中的推广。同时，Hst1能够调节局部组织微环境，通过其抗氧化、抗炎、促血管生成和细胞粘附等机制，促进植入物周围的软组织重建，并增强水凝胶支架的性能。这种多靶点的治疗潜力，使其在骨缺损修复中具有重要的应用价值。

然而，Hst1在体内的应用仍面临一定的挑战。由于其容易被酶解，因此需要频繁给药以维持足够的浓度。为了克服这一问题，研究团队此前开发了一种基于OSA、GE和ADH的水凝胶递送系统。该系统具有良好的生物相容性，能够促进细胞的粘附、增殖和迁移。同时，通过调节OSA、GE和ADH的比例，可以精细控制水凝胶的吸水率、降解速率以及Hst1的释放动力学。此外，该水凝胶具有注射性、自修复能力、原位凝胶化和良好的临床操作性，使其能够准确填充不规则的骨缺损，同时减少二次手术创伤。

在本研究中，团队通过细胞、机制和动物实验对Hst1的骨再生潜力进行了全面评估。体外实验主要关注Hst1对BMSCs的成骨分化和血管生成能力，而体内实验则采用大鼠的颅骨缺损模型，以评估Hst1在促进骨再生方面的实际效果。研究结果显示，Hst1不仅能够促进成骨，还能显著提高血管生成能力，从而为骨组织的再生提供了双重支持。这一发现为未来的骨再生研究提供了新的方向，同时也为临床治疗提供了潜在的解决方案。

为了进一步验证Hst1在骨再生中的作用，研究团队对Hst1的浓度进行了优化，以确保其对BMSCs的生长和增殖具有最佳的促进效果。通过体外实验，团队评估了不同浓度的Hst1对BMSCs细胞活性和增殖的影响。结果显示，低浓度的Hst1（10和50μM）能够显著提高BMSCs的细胞活性，使其在培养过程中保持较高的存活率。相比之下，高浓度的Hst1则可能对细胞产生毒性作用，导致细胞活性下降。因此，选择适当的Hst1浓度对于实现最佳的骨再生效果至关重要。

此外，研究团队还探讨了Hst1在促进血管生成中的作用机制。通过体外实验，团队发现Hst1能够通过旁分泌信号促进血管生成，这一过程对骨组织的再生具有重要意义。在体内实验中，Hst1负载的水凝胶被应用于大鼠的颅骨缺损模型，结果显示，Hst1能够显著促进血管生成，从而为骨组织提供必要的营养和氧气支持。这一发现表明，Hst1不仅能够促进成骨，还能通过增强血管生成，进一步提高骨再生的整体效果。

在机制研究方面，团队进一步探讨了Hst1如何通过激活Wnt/β-连蛋白信号通路来促进成骨分化。这一信号通路在骨发育和再生过程中发挥着重要作用，能够调控成骨细胞的分化和增殖。通过实验分析，团队发现Hst1能够显著激活该信号通路，从而促进BMSCs的成骨分化。这一机制的揭示为Hst1在骨再生中的应用提供了理论支持，同时也为未来开发基于Hst1的治疗策略提供了方向。

综上所述，这项研究通过系统的实验设计，揭示了Hst1在促进成骨和血管生成方面的双重作用。体外实验表明，Hst1能够通过激活Wnt/β-连蛋白信号通路促进BMSCs的成骨分化，同时通过旁分泌信号促进血管生成。体内实验进一步验证了Hst1在促进骨再生方面的实际效果，结果显示，Hst1负载的水凝胶能够显著提高骨体积分数和血管密度。这些发现表明，Hst1在促进骨再生方面具有重要的应用价值，同时也为未来的骨再生研究提供了新的思路。

此外，研究团队还提出了基于唾液来源蛋白质的仿生骨再生策略，旨在为骨缺损修复提供一种天然、安全、临床可行且成本低廉的治疗方案。这一策略不仅能够利用Hst1的生物活性，还能通过水凝胶递送系统实现其持续释放，从而提高治疗效果。同时，该策略还能够调节局部组织微环境，促进软组织的重建，并增强水凝胶支架的性能。这些优势使得Hst1在骨再生中的应用具有广阔的前景。

在实际应用中，Hst1负载的水凝胶具有良好的临床操作性，能够准确填充不规则的骨缺损，同时减少二次手术创伤。这种水凝胶的注射性和自修复能力使其在临床应用中更加便捷。此外，水凝胶的原位凝胶化特性能够确保其在体内形成稳定的结构，从而提供更好的支持。这些特性使得Hst1在骨再生中的应用更加可行，同时也为未来的临床研究提供了参考。

研究团队在本研究中还强调了Hst1在骨再生中的多靶点治疗潜力。通过整合抗微生物和再生功能，Hst1能够同时解决骨缺损修复中的感染控制和组织修复问题。这种多靶点的治疗策略不仅能够提高治疗效果，还能减少并发症的发生，从而提高患者的治疗体验和生活质量。此外，Hst1的抗氧化和抗炎特性能够进一步优化局部组织微环境，为骨组织的再生提供更好的支持。

尽管Hst1在促进骨再生方面展现出良好的潜力，但其在体内的应用仍需进一步研究。例如，Hst1的释放动力学、局部浓度维持以及与其他治疗手段的协同作用等方面仍需深入探讨。此外，Hst1在不同类型的骨缺损中的应用效果也可能存在差异，因此需要进一步的实验验证。同时，Hst1在不同动物模型中的表现也可能有所不同，因此需要在更大范围的实验中进行评估。

此外，研究团队还提出了未来研究的方向，即如何进一步优化Hst1的释放方式，以提高其在体内的稳定性和有效性。例如，通过开发更高效的递送系统，或者结合其他生物活性分子，以实现更全面的骨再生效果。同时，还需要进一步研究Hst1在不同病理条件下的应用效果，以评估其在复杂骨缺损修复中的潜力。这些研究将有助于推动Hst1在骨再生领域的应用，并为未来的临床治疗提供更可靠的依据。

总的来说，这项研究为Hst1在骨再生中的应用提供了坚实的实验基础，并揭示了其在促进成骨和血管生成方面的双重作用。通过结合体外和体内的实验数据，研究团队进一步验证了Hst1在骨再生中的实际效果，并提出了基于唾液来源蛋白质的仿生骨再生策略。这些发现不仅具有重要的科学意义，也为未来的临床治疗提供了新的思路和方法。