铈离子调控人骨髓间充质干细胞分化平衡：抑制活性氧促进成骨分化的机制研究

本研究针对骨组织工程(BTE)中骨髓间充质干细胞(BMSCs)易向脂肪分化的问题，通过铈硝酸盐(CeN)干预，首次在同一实验体系中系统评估了铈离子对BMSCs成骨/成脂分化平衡的调控作用。研究发现50 μmol/L CeN能显著降低活性氧(ROS)水平，上调SOD2/GPX3等抗氧化基因表达，同时促进胶原沉积、钙化等细胞外基质(ECM)成熟，并通过抑制PPARγ信号通路有效抑制脂肪分化。该研究为离子医学(IM)指导的骨再生材料开发提供了新思路，成果发表于《Journal of Trace Elements in Medicine and Biology》。

　　

在骨缺损修复领域，如何引导骨髓间充质干细胞(BMSCs)定向分化为成骨细胞而非脂肪细胞，是骨组织工程(BTE)的核心挑战。活性氧(ROS)作为关键调控因子，其过量积累会促使BMSCs向脂肪分化，但具体机制尚未阐明。与此同时，新兴的离子医学(IM)策略为骨再生提供了新思路——通过生物材料局部释放治疗性离子调控微环境。其中，镧系元素铈(Ce)因其独特的自再生ROS清除能力备受关注，但其对人源BMSCs分化平衡的系统性影响仍缺乏直接证据。

针对这一科学问题，德国海德堡大学医学院的研究团队在《Journal of Trace Elements in Medicine and Biology》发表重要成果。研究采用铈硝酸盐(CeN)处理人BMSCs，通过DAPI细胞计数、FDA活性检测、ALP活性分析等技术评估细胞行为；运用Sirius Red/Alizarin Red染色定量ECM形成；结合qPCR分析成骨(ALP/OCN/OPG)、成脂(PPARγ/FABP4/LPL)及抗氧化基因(SOD2/CAT/GPX3)表达；并创新性采用CellROX Green试剂直接检测ROS物理存在。

3.1 CeN浓度优化
实验发现50 μmol/L CeN能显著提升BMSCs增殖活力，较5 μmol/L组细胞数量增加2.3倍(p<0.05)，且无毒性效应，故选定该浓度用于后续研究。

3.2 促进成骨分化与ECM成熟
CeN使ALP活性提升3.1倍(p<0.01)，胶原沉积量增加78%(D14)。基因层面呈现"双相调控"：虽然ALP和Col1A1 mRNA下调，但晚期标志物OCN/OPG表达显著上调(2.4倍，p<0.05)，提示CeN可能通过翻译后修饰加速成骨终末分化。

3.3 抑制脂肪分化
在脂肪诱导培养基(AIM)中，CeN使D7脂滴形成减少61%(p<0.01)，关键转录因子PPARγ表达下调2.2倍。有趣的是，这种抑制作用具有时效性——至D14时脂滴差异消失，但FABP4/LPL基因仍受抑制，表明CeN主要阻断脂肪分化早期事件。

3.4 ROS调控机制
CeN使细胞内ROS阳性区域减少54%(p<0.001)，伴随SOD2表达上调3.7倍。在AIM环境中，CeN能逆转ROS诱导的FOXO1过表达(下调1.8倍)，证实其通过重塑氧化还原平衡影响分化命运。

这项研究首次在同一实验体系中证实：CeN通过双重机制优化BMSCs分化——既直接激活Wnt/TGF-β等成骨通路，又通过Ce³⁺
/Ce⁴⁺
价态转换清除ROS，间接抑制PPARγ介导的脂肪分化。特别值得注意的是，研究者创新性地量化了ROS物理浓度（而非仅检测基因表达），为"氧化应激调控分化"假说提供了直接证据。该成果不仅为Ce掺杂生物活性玻璃(BGs)的临床应用奠定理论基础，更拓展了IM策略在代谢性骨病治疗中的潜在价值。未来研究需进一步解析Ce离子与纳米颗粒形式的生物学差异，以及其在体微环境中的长期效应。