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衰老骨骼修复面临细胞活性降低和微环境不良等难题，传统方法忽视骨髓间充质干细胞（BMSCs）与成骨微环境互作。本研究开发含 SIRT3 纳米载体和 PEGS/PAA 的基因工程水凝胶，体内外证实其可缓解衰老损伤、促进成骨分化，为治疗衰老相关骨损伤提供新希望。
随着人口老龄化加剧，衰老相关骨骼损伤修复成为医学难题。衰老过程中，骨髓间充质干细胞（BMSCs）向成骨细胞（OBs）分化能力显著下降，同时伴随细胞衰老、氧化应激增强以及骨微环境恶化等问题。传统的衰老细胞清除（如 D+Q 疗法）或衰老相关分泌表型（SASP）抑制策略，未能充分考虑 BMSCs 与成骨微环境的复杂互作，导致修复效果有限。因此，开发既能恢复衰老细胞功能，又能重塑微环境的新型疗法迫在眉睫。
为此，苏州大学的研究人员开展了一项创新研究，开发出一种 “内 - 外” 引导的基因工程水凝胶（PEGS/PAA@SIRT3），旨在通过细胞内和细胞外双重机制提升衰老骨骼再生能力。该研究成果发表在《Bioactive Materials》，为衰老性骨损伤治疗提供了全新思路。
研究主要采用了以下关键技术方法：通过硫醇 - 迈克尔加成点击反应合成可注射水凝胶，将携带 SIRT3 基因的腺相关病毒（AAV-2）包裹于介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）中，并引入聚（癸二酸甘油酯）- 共聚（乙二醇）/ 聚丙烯酸（PEGS/PAA）基质。利用 H?O?诱导的细胞衰老模型和自然衰老大鼠模型，结合 micro-CT、组织染色（H&E、Masson's trichrome）、免疫荧光、流式细胞术、RNA 测序及 CRISPR/Cas9 基因编辑等技术，从体内外多角度验证水凝胶的疗效与机制。
2.1 衰老骨骼再生能力下降与 SIRT3 表达降低相关
通过对比成年（6 个月）与衰老（18 个月）大鼠颅骨缺损模型发现，衰老组骨体积分数、骨密度显著降低，成骨标志物骨钙素（OCN）减少，衰老标志物 P16 增加。单细胞 RNA 测序显示，衰老骨组织中 SIRT3 高表达成骨细胞亚群比例下降，提示 SIRT3 在骨形成中起关键作用。体外实验证实，过表达 SIRT3 可显著缓解 H?O?诱导的 BMSCs 衰老，降低 P16、P21 等衰老标志物表达。
2.2 基因工程水凝胶的制备与特性
水凝胶通过硫醇 - 迈克尔加成反应快速交联，具有多孔三维网络结构，注射性良好。PEGS/PAA 中的羧基可螯合铁离子，模拟缺氧环境，降低细胞内活性氧（ROS）水平，上调缺氧诱导因子 - 1α（HIF-1α）表达。同时，介孔二氧化硅纳米颗粒的存在延缓了 SIRT3 的释放，确保长效作用。水凝胶降解速率与组织再生同步，有利于骨修复。
2.3 水凝胶缓解细胞衰老的作用
在 H?O?诱导和自然衰老的 BMSCs 模型中，PEGS/PAA@SIRT3 均能显著恢复细胞周期活性（增加 G2/M 期细胞比例），减少衰老相关 β- 半乳糖苷酶（SA-β-gal）阳性细胞，降低 SASP 相关基因（如 Cdkn1a、Cdkn2a、Il6）表达，尤其显著抑制 DNA 损伤标志物 H2AX。其效果优于单纯 SIRT3 过表达，表明缺氧微环境与 SIRT3 的协同作用增强了抗衰效果。
2.4 促进 BMSCs 向成骨细胞分化
体外实验显示，水凝胶可显著提升衰老 BMSCs 的碱性磷酸酶（ALP）活性、钙结节形成能力，上调成骨基因（Alpl、Col1a1、Bglap）及 OCN 表达。机制上，缺氧环境激活 AMPK 信号通路，促进能量代谢和线粒体功能，协同 SIRT3 增强成骨分化潜力。
2.5 调控免疫信号促进成骨
RNA 测序和基因集富集分析（GSEA）表明，水凝胶通过激活 cAMP-PKA-CREB 通路，抑制破骨相关通路，同时调节骨免疫微环境，促进 M2 型巨噬细胞极化（Arg1+），抑制 M1 型（iNOS+），从而减轻炎症，促进骨再生。
2.6 体内骨再生效果验证
在衰老大鼠颅骨缺损模型中，PEGS/PAA@SIRT3 组 8 周时新骨形成量显著高于对照组，骨缺损面积近半被新骨覆盖，且成熟骨组织形成良好。免疫荧光显示，该组 SIRT3 表达增加，P16 减少，OCN 和 HIF-1α 表达上调，证实其体内抗衰和成骨促进作用。
2.7 SIRT3 依赖的作用机制
在 Sirt3 敲除（Sirt3?/?）小鼠模型中，水凝胶促骨再生效果显著减弱，表明其作用依赖于 SIRT3 的激活。外源性 SIRT3 通过调控线粒体功能、抗氧化应激及表观遗传稳定，延缓 BMSCs 衰老，间接抑制破骨细胞生成，促进骨重建。
结论与意义
本研究开发的 “内 - 外” 引导基因工程水凝胶，通过细胞内 SIRT3 过表达恢复 BMSCs 功能，细胞外螯合铁离子模拟缺氧微环境，协同调控骨免疫信号，为衰老性骨损伤提供了多维度治疗策略。其创新点在于整合细胞与微环境因素，突破传统单一靶点局限，为临床治疗骨质疏松性骨折、老年骨缺损等疾病开辟了新方向。未来需进一步优化载体靶向性与生物相容性，推动转化应用。
