明胶和模拟胶原蛋白的纳米颗粒用于腹腔内顺铂输送：从合成到体内SPECT成像研究其生物分布

《Biomaterials Advances》：Gelatin and collagen-mimetic nanoparticles for intraperitoneal cisplatin delivery: From synthesis to in-vivo SPECT imaging of biodistribution

糖皮质激素性股骨头坏死（GIONFH）传统治疗效果有限，本研究设计锂修饰生物活性玻璃/GelMA水凝胶（GM/M-Li），通过体外细胞实验和体内新西兰兔模型证实，该水凝胶可促进骨再生、抑制脂肪浸润并增强血管生成，显著改善骨微环境，为GIONFH治疗提供新策略。

　　本研究旨在探讨一种新型的多功能再生策略，以应对股骨头坏死（ONFH）这一在年轻人中较为常见的非创伤性骨坏死疾病。该疾病通常由长期或大剂量使用糖皮质激素（GC）引起，严重影响患者的运动能力和生活质量。目前，骨移植和核心减压术是治疗糖皮质激素诱导性股骨头坏死（GIONFH）的主要方法，但临床效果往往不尽如人意。因此，本研究设计了一种基于锂负载生物玻璃与甲基丙烯酰化明胶（GelMA）复合的水凝胶材料，即锂负载生物玻璃水凝胶（GM/M-Li），以期在改善骨坏死微环境方面取得突破性进展。

股骨头坏死的治疗面临诸多挑战，尤其是在早期阶段，传统治疗方法往往难以有效控制病情。骨移植虽然能提供结构性支持，但其生物惰性可能阻碍新骨形成；而核心减压术虽然能缓解骨内压力，但缺乏持续的药物释放系统，难以长期维持治疗效果。此外，由于GC会导致脂肪细胞浸润，传统的治疗策略往往未能有效抑制脂肪生成，从而影响骨组织的修复过程。因此，研究者提出了一个更加全面的治疗方案，通过一种多功能的水凝胶材料，同步促进骨生成、血管生成和抑制脂肪生成，以恢复骨-脂肪的动态平衡。

为了实现这一目标，研究团队开发了一种新型的水凝胶材料，其中包含了锂离子（Li?）和硅离子（Si??）的释放机制。锂离子作为一种被批准用于人体的药物，已被广泛应用于治疗双相情感障碍。研究表明，Li?可通过激活经典的Wnt/β-catenin信号通路，直接促进成骨细胞的分化，同时抑制脂肪生成的关键转录因子PPARγ。这种双重作用机制使得Li?成为一种理想的治疗成分，能够在促进新骨形成的同时，减少脂肪组织对骨修复过程的干扰。此外，Si??的释放有助于形成更稳定的骨-血管网络，从而增强骨组织的再生能力。

水凝胶的制备过程结合了生物活性玻璃（BAG）和GelMA的特性，使其具备良好的生物相容性、机械性能和可控的药物释放能力。BAG作为一种骨组织工程材料，不仅具有良好的生物活性，还能通过化学修饰来调节细胞行为。在本研究中，LiCl被添加到BAG中，以提高其在体内的生物活性和治疗效果。通过紫外光照射，GelMA与M-Li纳米颗粒结合，形成一种可注射的水凝胶材料，该材料能够在体内形成稳定的三维结构，为细胞生长和组织修复提供适宜的微环境。

在实验设计方面，研究者采用了新西兰兔作为动物模型，以模拟人类股骨头坏死的病理特征。通过低剂量脂多糖（LPS）与高剂量甲基强的松龙（MP）的联合给药，成功建立了具有代表性的GIONFH模型。同时，研究者利用3D打印技术制备了导航模板，使核心减压术的操作更加精准和标准化，从而减少人为误差，提高实验的可重复性和有效性。在实验过程中，研究团队对不同组别的水凝胶进行了系统的评估，包括其生物相容性、细胞活性、机械性能和离子释放能力。

研究结果显示，GM/M-Li水凝胶在机械性能和生物相容性方面表现优异，能够支持细胞的增殖和迁移。通过体外实验，研究团队发现该水凝胶能够显著促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨分化，并有效抑制脂肪生成。这些结果表明，GM/M-Li水凝胶在体外能够协调骨生成与脂肪生成的平衡，为ONFH的治疗提供了新的思路。此外，通过体内实验，研究团队发现GM/M-Li水凝胶能够显著提高股骨头的骨密度，并改善骨小梁的结构，从而有效促进骨组织的再生。

在血管生成方面，GM/M-Li水凝胶同样表现出显著的优势。通过体外实验，研究团队发现该水凝胶能够促进人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的迁移和管状结构的形成，表明其在血管生成方面具有良好的促进作用。这些结果与体内实验一致，表明GM/M-Li水凝胶能够显著改善股骨头的血供，从而为新骨形成提供必要的营养支持。

为了确保材料的安全性和有效性，研究团队对水凝胶进行了全面的生物相容性评估，包括组织学分析和免疫荧光染色。结果显示，GM/M-Li水凝胶在体内未引起明显的组织毒性，且能够促进成骨细胞的分化和血管的生成。这些结果表明，该水凝胶不仅具备良好的生物相容性，还能在体内发挥多重治疗作用，为ONFH的治疗提供了可靠的材料支持。

在细胞行为研究方面，研究团队利用Western blot和免疫荧光技术，进一步验证了GM/M-Li水凝胶对Wnt/β-catenin信号通路的影响。结果显示，Li?能够显著促进β-catenin的核表达，同时减少Axin2的胞浆表达，从而激活Wnt/β-catenin信号通路，促进成骨细胞的分化并抑制脂肪细胞的生成。这些分子机制的发现为理解GM/M-Li水凝胶的治疗效果提供了理论依据。

此外，研究团队还对水凝胶的机械性能和离子释放特性进行了详细分析。结果显示，GM/M-Li水凝胶具有合适的压缩模量，能够为骨组织提供必要的结构支持。同时，Li?和Si??的持续释放能够维持体内治疗效果，避免因药物浓度波动导致的治疗失败。这些特性使得GM/M-Li水凝胶成为一种理想的治疗载体，能够在体内实现长期、稳定的药物释放，从而提高治疗的效率和效果。

在临床应用方面，研究团队强调了该水凝胶的潜在价值。由于其可注射性，GM/M-Li水凝胶能够在手术过程中直接植入股骨头坏死区域，从而为骨组织的再生提供局部支持。此外，其良好的生物相容性和机械性能使其能够减少手术创伤，提高患者术后恢复的速度和质量。因此，该水凝胶有望成为一种新型的骨组织工程材料，为ONFH的治疗提供更安全、更有效的解决方案。

尽管本研究取得了积极的成果，但研究者也指出了其局限性。首先，体外实验主要使用了啮齿类动物来源的BMSCs，虽然这些细胞是常用的实验模型，但其与人类细胞的行为可能存在差异，影响研究结果的临床转化。其次，虽然新西兰兔模型在病理特征上与人类相似，但其骨重塑速度和规模与人类存在差异，可能影响治疗效果的预测。此外，研究团队仅观察了12周的治疗效果，未能全面评估水凝胶的长期稳定性及其对新骨形成的潜在影响。因此，未来的研究需要进一步延长观察时间，以更全面地评估该水凝胶的临床应用潜力。

综上所述，本研究开发了一种新型的锂负载生物玻璃/GelMA水凝胶，为GIONFH的治疗提供了全新的思路。该水凝胶不仅具备良好的生物相容性和机械性能，还能通过同步促进成骨、血管生成和抑制脂肪生成，为骨组织的再生提供全面的支持。研究结果表明，GM/M-Li水凝胶在体外和体内均表现出显著的治疗效果，为ONFH的临床干预提供了重要的理论基础和技术支持。未来，随着研究的深入和技术的进步，这种水凝胶有望成为一种新型的骨组织工程材料，为改善ONFH的治疗效果提供更可靠的解决方案。