靶向BMSCs的压电刺激与免疫调节双功能水凝胶促进糖尿病性骨再生

为解决糖尿病(DM)患者因高血糖和慢性炎症导致的骨再生障碍问题，空军军医大学团队开发了一种兼具BMSCs靶向压电刺激和免疫调节功能的复合水凝胶(B-TNs@CMS)。该研究通过羧基化丝素蛋白(CMS)调控巨噬细胞PI3K-Akt-mTORC1通路促进M1向M2表型转化，同时利用超声响应性钛酸钡纳米颗粒(B-TNs)产生适度ROS激活Wnt/β-catenin信号，在糖尿病大鼠模型中实现87%的骨体积恢复。这项发表于《Materials Today Bio》的工作为糖尿病骨修复提供了协同调控免疫微环境与干细胞功能的新策略。

　　

糖尿病引发的骨修复障碍是临床重大挑战。持续高血糖和慢性炎症会破坏骨髓间充质干细胞(BMSCs)与免疫微环境的互作，导致骨折风险增加300%、愈合时间延长87%。现有疗法往往仅针对干细胞或免疫调节单方面干预，忽视了二者协同作用。空军军医大学团队在《Materials Today Bio》发表的研究，通过创新性设计双功能水凝胶系统，为这一难题提供了突破性解决方案。

研究采用羧基化修饰丝素蛋白(CMS)作为基质，包裹BMSCs膜包被的钛酸钡纳米颗粒(B-TNs)，构建具有免疫调节和靶向刺激功能的复合水凝胶。关键技术包括：1) 通过膜蛋白提取和纳米包埋技术制备BMSCs靶向压电纳米颗粒；2) 建立糖尿病大鼠骨缺损模型验证疗效；3) 运用蛋白质组学和转录组学分析PI3K-Akt-mTORC1和Wnt通路机制；4) 优化超声参数(0.2 W/cm²)实现可控ROS生成。

3.1. Preparation and characterization of B-TNs@CMS
通过透射电镜证实成功制备150 nm的BMSCs膜包被纳米颗粒(B-TNs)，Zeta电位-30 mV显示良好稳定性。压电力显微镜证实水凝胶具有显著压电效应，X射线衍射显示钛酸钡(BTO)保持四方晶系结构。核磁共振氢谱在2.5 ppm处检测到羧甲基特征峰，证实CMS修饰成功。

3.2. Immunomodulatory effects of CMS
蛋白质组学分析发现CMS通过激活PI3K-Akt-mTORC1-LXR轴，使糖尿病环境下巨噬细胞M1(CD86⁺)比例从62%降至28%，M2(CD206⁺)比例提升3.2倍。但单独免疫调节仅使BMSCs增殖恢复47%，无法完全挽救成骨分化障碍。

3.3. Targeted piezoelectric stimulation
流式细胞术显示0.2 W/cm²超声刺激时，B-TNs产生12.8 μM H₂O₂的适度ROS水平，使BMSCs增殖率达正常组的91%。添加ROS抑制剂NAC后，Runx2和骨钙素(OCN)表达下降76%，证实ROS-Wnt/β-catenin通路的关键作用。

3.4. Osteogenic potential in vivo
微CT显示治疗8周后，B-TNs@CMS组骨体积分数(BV/TV)达对照组的97%，显著高于单纯CMS组(50%)。免疫荧光显示缺损区M2巨噬细胞浸润增加4.3倍，Runx2⁺细胞密度恢复至正常水平89%。

该研究创新性地将免疫微环境调控与物理刺激相结合：CMS通过氨基酸代谢产物激活PI3K-Akt-mTORC1通路重塑巨噬细胞表型，而BMSCs膜靶向的BTO纳米颗粒在超声触发下产生精准ROS信号，通过Wnt/β-catenin通路解除糖尿病对干细胞的抑制。这种"免疫-干细胞"双模块策略克服了传统疗法单方面干预的局限性，为糖尿病并发症治疗提供了新范式。值得注意的是，研究通过优化超声参数实现了ROS浓度的精确控制，避免了过度氧化应激的副作用，这种时空可控的治疗模式在组织工程领域具有广泛适用性。