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为解决骨缺损修复中电刺激临床应用受限及干细胞移植问题，研究人员开展电刺激预处理骨髓间充质干细胞（BMSCs）外泌体（Elec-exo）促进骨再生研究。发现 Elec-exo 可激活 PI3K-Akt 等通路，负载于 CSMA 水凝胶加速骨缺损修复，拓宽外泌体应用。
骨骼作为人体重要的支撑结构，其损伤修复一直是医学领域的难题。由创伤、骨质疏松或肿瘤切除等导致的骨缺损（BDs）不仅给患者带来长期病痛，还伴随住院时间延长、并发症增多及治疗成本上升等问题。传统的自体骨移植、异体骨移植等方法存在供体来源有限、免疫排斥反应及感染风险等缺陷，而新兴的骨组织工程虽展现出潜力，但如何高效诱导骨生成、优化修复微环境仍是挑战。电刺激作为一种能模拟骨组织生物电特性的非药物干预手段，虽被证实可促进成骨和矿化，但复杂的操作流程和有创设备限制了其临床推广。外泌体作为细胞间通讯的重要载体，凭借其优于干细胞移植的安全性和便捷性，成为骨组织工程领域的研究热点。然而，如何通过预处理提升外泌体的骨再生效能，尤其是电刺激预处理外泌体的作用机制尚未明确。
在此背景下，上海第十人民医院的研究人员开展了相关研究，旨在探索电刺激预处理外泌体在骨再生中的应用价值及潜在机制。研究成果发表在《Bioactive Materials》，为骨缺损修复提供了新思路。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先通过梯度离心法从电刺激预处理的 BMSCs 培养液中分离外泌体（Elec-exo），并利用纳米颗粒跟踪分析（NTA）、动态光散射（DLS）及透射电镜（TEM）对其粒径、浓度和形态进行表征；通过蛋白质组学和转录组学分析，筛选 Elec-exo 中差异表达的蛋白和基因，解析其作用通路；构建大鼠股骨缺损模型，将 Elec-exo 负载于硫酸软骨素甲基丙烯酸酯（CSMA）水凝胶中进行体内递送，结合 Micro-CT、组织染色（HE、Masson、OCN 免疫组化）等技术评估骨再生效果。
3.1 电刺激 BMSCs 的制备及转录组分析
研究人员分离培养大鼠 BMSCs，通过定制的 ITO 导电玻璃施加不同强度电刺激（20、75、150 μA），每日 1 小时，连续 5 天。转录组分析显示，150 μA 电刺激组中与细胞外基质（ECM）- 受体相互作用相关的 Col2a1 基因显著上调，提示电刺激可增强 BMSCs 的成骨潜力。
3.2 外泌体的表征与功能验证
分离得到的 Elec-exo 与正常外泌体（Norm-exo）相比，粒径略大（164.8±33.8 nm vs 137.4±29.4 nm），蛋白浓度和颗粒数更高，表面标志物 CD9、CD63 等表达显著增加。体外实验表明，150 μA Elec-exo 可显著促进成骨细胞（ROBs）和 BMSCs 的增殖，上调成骨相关基因 Bmp2、Col1A1、Opn 的表达，增强碱性磷酸酶（ALP）活性及钙结节形成，其中 150 μA 为最优刺激强度。
3.3 CSMA 水凝胶的制备与外泌体递送
CSMA 水凝胶具有良好的生物相容性，7% 浓度时对细胞增殖促进作用最强。通过光交联技术将 Elec-exo 负载于 CSMA 水凝胶中，体外释放实验显示外泌体可持续释放约 2 周，累计释放率达 88.4%；体内荧光成像证实外泌体在注射后 15 天内逐步代谢，主要分布于肝脏。
3.4 蛋白质组学与信号通路解析
蛋白质组学显示，Elec-exo 中 1447 种蛋白表达上调，富集于 “氧化磷酸化” 通路，Stc2 蛋白可能通过调节钙离子代谢和线粒体功能促进成骨。转录组分析表明，Elec-exo 可激活 PI3K-Akt 和 MAPK 信号通路，Western Blot 验证 Elec-exo 处理后 p-Akt 表达显著增加，证实通路激活。
3.5 体内骨再生效果评估
在大鼠股骨缺损模型中，CSMA+Elec-exo 组在 4 周时骨体积分数（BV/TV）达 79.04%±6.40%，显著高于其他组；8 周时 BV/TV 达 83.30%±2.78%，骨矿化密度（BMD）显著提升。组织染色显示该组成熟骨组织面积最大，成骨标志物 OCN 表达水平最高，证实其高效的骨修复能力。
结论与讨论
本研究首次证实电刺激预处理 BMSCs 来源的外泌体（Elec-exo）可通过激活 PI3K-Akt 和 MAPK 信号通路，协同 CSMA 水凝胶的缓释特性，显著加速骨缺损的再生修复。Elec-exo 中富集的氧化磷酸化相关蛋白及 Stc2 等关键因子，可能通过调控能量代谢和钙离子稳态促进成骨细胞分化和矿化。该研究不仅揭示了电刺激预处理外泌体的骨再生机制，还为临床骨缺损修复提供了一种无需持续电刺激设备的新型策略，拓宽了外泌体在骨组织工程中的应用前景。未来研究可进一步优化水凝胶配方及外泌体靶向递送效率，推动该技术向临床转化。
