靶向清除衰老细胞联合代谢救援策略增强老年大鼠植入体骨整合的研究

《Nature Communications》：Directed rescue strategy for enhanced implant osteointegration in aged rats

本研究针对老年患者植入体骨整合难题，创新性地提出了一种通过代谢干预特异性清除衰老细胞并促进骨再生的双重策略。研究人员通过BPTES抑制谷氨酰胺酶1(GLS1)诱导衰老间充质干细胞(MSCs)凋亡，同时利用聚γ-谷氨酸(PGA)涂层提供碳源挽救正常MSCs的成骨分化能力。该植入体表面改性技术显著提升了老年大鼠模型的植入体稳定性，为老年骨科植入物设计提供了新思路。

　　

随着全球人口老龄化加剧，老年患者骨科植入手术的成功率面临严峻挑战。衰老细胞的累积被认为是导致组织功能衰退和年龄相关疾病的关键因素，特别是在骨骼系统中，衰老微环境会严重阻碍植入体与骨组织的整合。传统senolytics药物通过广泛抑制抗凋亡通路来清除衰老细胞，但往往对正常细胞功能产生不良影响，导致贫血、血小板减少等副作用。如何特异性靶向衰老细胞同时保护正常细胞功能，成为提高老年患者植入体骨整合效果的核心科学问题。

近日，重庆大学蔡开勇团队在《Nature Communications》发表研究成果，提出了一种"定向救援"的创新策略。该研究巧妙利用衰老细胞与正常细胞在谷氨酰胺代谢途径上的差异性，设计出能够特异性诱导衰老细胞凋亡同时促进正常细胞成骨分化的智能化植入体表面改性系统。

研究的关键技术方法包括：通过多巴胺的π-π堆叠作用将GLS1抑制剂BPTES修饰于钛植入体表面；采用层层自组装技术构建PGA/壳聚糖多层膜作为谷氨酸缓释系统；建立复制性衰老和诱导性衰老两种MSCs模型验证机制；通过靶向代谢组学分析细胞代谢谱变化；使用18月龄老年大鼠模型进行体内骨整合评价。

GLS1维持衰老MSCs的存活

研究人员首先证实GLS1在衰老MSCs中表达显著上调，其抑制剂BPTES能通过caspase非依赖性途径诱导衰老细胞凋亡。机制研究表明，BPTES处理导致细胞内pH值降低和mPTP开放，引发BNIP3介导的线粒体凋亡通路。

PGA挽救非衰老MSCs的谷氨酰胺代谢

研究发现PGA涂层能有效逆转BPTES对非衰老MSCs增殖和成骨分化的抑制作用。代谢分析显示PGA提供的外源性谷氨酸促进了三羧酸循环(TCA cycle)和磷酸戊糖途径(PPP)，维持了细胞的生物合成需求。

改性钛植入体的构建与表征

成功制备了具有微纳复合结构的BPTES@MNT/PGA植入体，表征结果显示其表面粗糙度适宜，亲水性良好(水接触角约14.3°)，XPS证实了BPTES的成功负载和PGA涂层的形成。

植入体界面的释放动力学

在pH 6.5的微酸性环境中，BPTES和Ca²⁺的释放速率显著加快，而PGA降解产生的谷氨酸释放平稳持续，21天内未达到平台期，确保持续的碳源供应。

BPTES@MNT/PGA特异性诱导衰老MSCs凋亡

该改性表面对衰老MSCs的GLS1活性抑制率达50%以上，显著降低细胞内pH值并促进mPTP开放。而对非衰老MSCs，PGA涂层有效挽救了细胞活力，培养3天后增殖活性明显恢复。

抑制衰老MSCs诱导的继发性衰老

改性植入体显著降低了衰老相关分泌表型(SASP)因子IFN-γ、IL-1β、IL-6、TNF-α和过氧化物的水平，减少了非衰老MSCs中SA-β-gal阳性区域，保持了其成骨分化潜能。

调节非衰老MSCs的代谢谱

靶向代谢组学显示BPTES@MNT/PGA组具有增强的有氧糖酵解、活跃的TCA循环和脂肪酸氧化(FAO)，细胞内羟脯氨酸(胶原特异性氨基酸)水平升高，表明成骨分化活性增强。

促进非衰老MSCs的成骨分化

Western blot结果显示BPTES@MNT/PGA组胶原蛋白I(Col I)、碱性磷酸酶(ALP)和骨钙素(OCN)表达显著上调，矿化结节形成增加，表明成骨分化促进效果显著。

体内清除衰老细胞并促进内源性干细胞增殖

在18月龄老年大鼠模型中，BPTES@MNT/PGA植入体周围p16阳性细胞比例降低至Ti组的27%，SA-β-gal⁺细胞比例从64.9%降至40.5%。同时Leptin受体阳性(LepR⁺)干细胞数量和增殖活性显著提高。

增强老年大鼠的植入体骨整合

μ-CT分析显示BPTES@MNT/PGA组骨体积分数(BV/TV)最高，骨小梁数量(Tb.N)最多、厚度(Tb.Th)最大、间距(Tb.Sp)最小，结构模型指数(SMI)表明骨小梁以板状结构为主。生物力学推出力测试显示其最大推力(60.58±8.26N)显著高于其他组，免疫荧光染色证实骨钙素(OCN)和骨桥蛋白(OPN)表达最强。

研究讨论部分指出，这种定向救援策略通过精确调控局部微环境代谢平衡，实现了衰老细胞特异性清除与正常细胞功能增强的协同效应。与传统senolytics相比，该方法的优势在于利用衰老细胞特有的代谢脆弱性（依赖谷氨酰胺分解产氨维持pH稳态），同时通过外源性谷氨酸补充满足正常MSCs的高合成代谢需求。值得注意的是，单独使用BPTES的植入体虽然能清除衰老细胞，但由于持续抑制谷氨酰胺代谢，导致纤维化组织形成和骨整合效果不佳，凸显了PGA救援机制的重要性。

该研究首次将代谢干预策略与植入体表面工程相结合，为解决老年患者植入体骨整合难题提供了新思路。未来研究需进一步系统评估该策略的长期安全性和潜在副作用，但其创新性的"一石二鸟"设计理念为开发下一代智能化骨科植入物奠定了重要理论基础。