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为解决骨科植入物因应力遮挡导致骨整合不良的问题，研究人员开展了通过光遗传技术调控机械敏感神经促进植入物骨整合的研究。结果表明，该技术可增强局部降钙素基因相关肽（CGRP）释放，激活 PKA/FAK 信号通路，改善骨整合。这为解决植入物失败问题提供了新策略。
在骨科领域，人工关节置换、脊柱融合等手术中，骨科植入物的使用十分普遍。然而，目前常用的钛合金、钴铬钼合金等植入物材料，虽具备良好的机械性能和耐腐蚀性，但其弹性模量远高于人体皮质骨。这种差异会引发应力遮挡现象，使得周围骨组织所受应力刺激不足，进而导致局部骨吸收、植入物松动，严重影响植入物的长期稳定性，约 10% 的植入物最终会失败，其中超半数是因无菌性松动，这无疑大大增加了患者的医疗负担和社会经济成本。
为解决这些难题，福建医科大学附属第一医院等机构的研究人员开展了深入研究。他们发现，应力遮挡会抑制骨髓间充质干细胞（BMSCs）中细胞内机械转导分子（IMM），如粘着斑激酶（FAK）的表达，而这一过程与植入物周围 Piezo2+机械敏感神经释放的降钙素基因相关肽（CGRP）减少有关。基于此，研究人员设计了一种可完全植入、无线充电的光遗传装置，通过激活 Piezo2+神经元，增强植入物附近的 CGRP 释放，进而激活 PKA/FAK 信号通路，促进 BMSCs 的成骨分化，改善植入物的骨整合。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为解决植入物失败问题提供了全新的策略，在临床应用和神经 - 骨调节研究方面具有广阔的应用前景。
研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。在动物模型构建方面，建立了小鼠胫骨植入模型和光遗传装置植入模型，用于模拟体内环境和进行光遗传刺激实验。通过生物信息学分析，对植入物周围骨组织进行转录组测序，探究光遗传刺激对骨整合的分子机制。利用微计算机断层扫描（micro - CT）分析、组织学分析等技术，评估植入物周围新骨形成和骨整合情况。
研究结果如下：
- 应力遮挡与骨整合及分子表达的关系：通过设计不同弹性模量的植入物并植入小鼠胫骨，研究发现应力遮挡会延迟骨整合，且与机械转导分子的低表达相关。高弹性模量的植入物会降低 Piezo2+伤害感受器的 CGRP 释放，抑制 FAK 表达和植入物骨整合。转录组测序分析显示，不同弹性模量植入物周围骨组织的基因表达存在显著差异，低弹性模量植入物组中与机械转导、细胞分化等相关的基因上调。
- 光遗传装置的设计与性能：研究人员设计了一种无线、可充电、完全植入式的光遗传刺激（OS）装置，用于刺激小鼠背根神经节（DRG）。该装置由可充电锂电池、蓝牙低功耗系统芯片、电源管理电路和 μ - LED 柔性阵列等组成，具有体积小、重量轻、操作稳定等优点。实验测试表明，该装置能稳定输出光信号，在不同电流和频率下可激活 ChR2+神经轴突，且对小鼠的运动功能和生理指标无明显不良影响，具有良好的生物相容性。
- OS 对 Piezo2+神经及骨整合的影响：通过构建 Piezo2::ChR2 转基因小鼠，研究发现 OS 激活 Piezo2+神经可促进 CGRP 释放。与非刺激组相比，接受 OS 刺激的小鼠在术后 2 - 4 周，植入物周围的骨体积分数（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）、骨小梁数量（Tb.N）、骨密度（BMD of BV）和骨 - 植入物接触百分比（BIC%）显著增加，骨小梁分离度（Tb.Sp）降低，表明 OS 能有效促进植入物骨整合。
- CGRP/FAK 通路在骨整合中的作用：体外实验表明，OS 激活的 DRGs 通过 CGRP/FAK 通路促进 BMSCs 的成骨分化。用 CGRP 受体拮抗剂、PKA 抑制剂和 FAK 抑制剂处理后，OS 对骨整合的促进作用被抑制，进一步证实了 CGRP - PKA - FAK 信号轴在促进骨整合中的关键作用。
研究结论和讨论部分指出，高模量植入物诱导的应力遮挡会抑制 FAK 表达，与骨内机械敏感 Piezo2+纤维分泌的 CGRP 减少有关。光遗传激活 DRGs 可促进 CGRP 释放，增强植入物的骨整合。该研究提出了精确靶向和微创刺激机械敏感神经的概念，为解决植入物应力遮挡导致的骨整合不足问题提供了新方向。然而，研究也存在一定局限性，如未深入研究 IL - 10 在促进骨整合中的作用机制，刺激 DRG 的手术会带来一定创伤等。未来，可通过非病毒载体表达光敏离子通道蛋白、应用血管纳米运输技术等手段，进一步优化光遗传装置，实现更精准、微创的外周神经刺激。总之，该研究为骨科植入物骨整合的研究开辟了新路径，有望推动临床治疗的发展，为患者带来更好的治疗效果。
