编辑推荐：
为解决骨愈合中血纤维蛋白 / 血凝块（BC）促进成骨的复杂生物力学机制不明，以及难以模拟 BC 机械环境诱导间充质干细胞（MSCs）成骨的问题，研究人员开展 BC 对 MSCs 成骨影响及仿生水凝胶的研究，发现 BC 促进成骨机制并制备 BCgel，为骨再生医学提供新策略。
在人体中，200 多块骨头形态、大小和功能各异，它们不仅为身体提供结构支撑，还助力优雅的运动和灵活的行动。然而，当骨头受伤时，骨组织的减少会严重威胁患者的生活质量。幸运的是，骨头具有非凡的再生能力，而血凝块在这个过程中扮演着至关重要的角色。近年来，越来越多的研究开始关注血凝块形成对骨愈合的生物力学影响。在骨损伤后的关键阶段，血凝块的形成不仅能防止过度出血，还为骨修复和再生搭建了自然框架。但目前，人们对于骨细胞在骨愈合过程中的生物力学作用，特别是它们如何重编程间充质干细胞（MSCs）进行成骨的机制，了解还十分有限。同时，尽管在使用血凝块类似物和组织工程仿生支架 / 水凝胶创造功能性骨替代品方面取得了一些成功，但要完全重塑机械环境并诱导 MSCs 产生与血凝块相似的生物学行为，仍是一个巨大的挑战。
为了揭开这些谜团，西安交通大学的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为骨再生医学带来了新的曙光。
研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）技术，用于分析拔牙窝及周围骨组织细胞的特征；其次是免疫荧光染色技术，对关键成骨蛋白进行检测；还通过构建血凝块缺陷（BCD）动物模型，包括大鼠和比格犬模型，来观察骨再生情况；另外，利用 αFold 2.0 分析蛋白间相互作用拓扑结构，并通过荧光偏振（FP）分析量化结合亲和力。
下面来看具体的研究结果：
- 血凝块对新骨形成至关重要：通过对 312 篇相关文章的 Meta 分析发现，无物理血凝块时新骨体积显著降低。研究人员建立了高血压大鼠拔牙的血凝块缺陷模型，该模型中大鼠凝血时间延长、出血量增加、血凝块尺寸减小。与对照组相比，BCD 组新骨形成能力明显减弱，多项骨相关指标下降，关键成骨蛋白表达减少，这充分证明了血凝块在新骨形成中起着不可或缺的作用。
- 血凝块促进成骨的机制：利用 scRNA-seq 分析发现，血凝块形成通过增强 MSCs 中整合素介导的粘着斑信号，促进初级阶段成骨。在 BCD 组中，MSCs 和骨祖细胞比例增加，而前成骨细胞和成熟成骨细胞比例下降，相关信号通路也出现显著变化。进一步研究表明，血纤维蛋白通过激活机械整合素介导的粘着斑信号和力敏感转录因子 Runx2 促进成骨，且 Runx2 的激活依赖于血纤维蛋白的粘弹性，而非孔隙率相关因素。
- 血凝块仿生凝胶（BCgel）的设计与制备：分析发现血纤维蛋白通过与 Itgb1 紧密结合发挥生物功能，基于此设计合成了 BCgel。BCgel 具有与血纤维蛋白相似的纳米纤维网络结构、与 Itgb1 的结合亲和力和粘弹性，还具备良好的生物相容性、可注射性、自愈合性和生物降解性。在促进成骨方面，确定了其最佳浓度和 Ca2+浓度组合。
- BCgel 促进成骨的作用及安全性：研究表明，BCgel 通过激活机械 Itgb1 介导的粘着斑信号和 Runx2 促进 MSCs 成骨分化。在大鼠和比格犬的血凝块缺陷骨损伤模型中，BCgel 显著增强了骨再生能力，且无明显毒性和不良反应，生物安全性良好。
研究结论和讨论部分指出，本研究揭示了 MSCs 与血纤维蛋白之间的机械化学耦合相互作用，即血纤维蛋白水凝胶通过结合 MSCs 的 Itgb1，利用其粘弹性激活相关信号通路，促进骨再生。同时，首次发现 Runx2 是一种力敏感且对粘弹性敏感的转录因子。基于此制备的 BCgel 在体内外均表现出卓越的促进骨再生能力，且具有生物相容性好、免疫毒性低、质量可控和易于大规模生产等优点，是一种极具临床转化潜力的骨修复水凝胶。不过，研究人员也指出，虽然 BCgel 在现有模型中效果显著，但仍需进一步研究其在更多复杂骨缺损模型中的疗效。总的来说，该研究为干细胞在成骨分化过程中的机械转导提供了有价值的见解，为骨再生医学中粘弹性水凝胶的设计提供了潜在的指导原则，有望推动骨再生治疗领域的重大进展。
