无定形磷酸钙锌通过调控能量代谢和线粒体稳态促进巨噬细胞驱动的牙槽骨再生

推荐：针对牙槽骨缺损修复难题，中国医科大学团队通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)揭示羟基磷灰石(HA)诱导巨噬细胞促炎极化的代谢机制，开发出新型无定形磷酸钙锌(ACZP)纳米材料。研究发现ACZP通过抑制IP3R/MCU通路、减少病理性Ca2+转移、将巨噬细胞代谢从糖酵解转向氧化磷酸化(OXPHOS)，显著促进抗炎表型转化，使兔模型缺损区新生骨组织达70%。该研究为组织工程材料设计提供了新思路。

　　

牙槽骨缺损修复一直是口腔医学领域的重大挑战。尽管羟基磷灰石(HA)作为临床常用植入材料具有良好的骨传导性，但其低降解性会引发慢性炎症反应，导致修复效果不佳。更关键的是，HA与免疫微环境特别是巨噬细胞的相互作用机制尚未阐明。巨噬细胞作为组织中最丰富的免疫细胞，其表型转化与能量代谢密切相关——促炎表型(M1)依赖糖酵解快速供能，而抗炎表型(M2)则主要依靠氧化磷酸化(OXPHOS)。线粒体作为能量工厂和钙信号枢纽，其功能紊乱会直接影响巨噬细胞的极化方向。中国医科大学的研究团队在《Bioactive Materials》发表的研究，通过创新性设计无定形磷酸钙锌(ACZP)纳米材料，系统揭示了材料-免疫互作的新机制。

研究团队首先运用单细胞RNA测序(scRNA-seq)解析HA植入后牙槽骨缺损区的免疫微环境特征，发现HA显著增加促炎型巨噬细胞比例(从25.9%增至31.65%)，并激活糖酵解关键基因Pkm表达。代谢组学分析显示HA组柠檬酸、乳酸等糖酵解产物显著积累。进一步通过伪时序分析发现，HA通过破坏线粒体膜电位(MMP)、诱发线粒体活性氧(mtROS)堆积和NLRP3炎症小体激活，阻碍巨噬细胞向抗炎表型转化。基于这些发现，团队开发了锌掺杂的无定形磷酸钙(ACZP)纳米颗粒，其粒径15-33nm，锌含量可调(5-20mol%)，在生理环境下能持续释放Ca²⁺和Zn²⁺。体外实验证实5Zn-ACP能最优平衡生物相容性与免疫调节功能。

关键技术包括：单细胞转录组测序解析免疫微环境异质性；分子对接模拟IP3R/MCU结合亲和力；Seahorse能量代谢分析仪检测细胞耗氧率(OCR)和细胞外酸化率(ECAR)；透射电镜观察线粒体-内质网超微结构；建立兔牙槽骨缺损模型进行Micro-CT三维重建分析。

研究结果部分：
2.1节通过scRNA-seq证实HA纳米颗粒抑制巨噬细胞抗炎/促炎表型转化，促炎亚群(Macrophage2/3)比例增加，且与间充质干细胞(MSCs)的异常通讯增强。

2.2节揭示HA引发糖酵解代谢重编程和线粒体功能障碍，伪时序分析显示命运1分支(Fate1)巨噬细胞显著富集"线粒体钙稳态"等通路，OXPHOS评分降低而糖酵解评分升高。

2.3节展示ACZP纳米颗粒的理化特性，5Zn-ACP在PBS中30天可释放37.6μg/mL Ca²⁺和5.2μg/mL Zn²⁺，体外能显著提升Arg1⁺抗炎巨噬细胞比例。

2.4节证实ACZP通过恢复线粒体呼吸链活性缓解能量代谢紊乱，使基础呼吸和ATP产量提升2倍，并改善线粒体网络形态(短棒状vs HA组的过度拉长)。

2.5节阐明ACZP通过破坏IP3R/MCU介导的内质网-线粒体钙串扰发挥作用，分子对接显示ACZP使结合能降低至-32.0kJ/mol，免疫电镜观察到线粒体-内质网接触面减少50%。

2.6节动物实验显示ACZP组12周时骨体积分数(BV/TV)达65.96±6.31%，显著高于HA组(46.00±5.69%)，Micro-CT显示骨小梁数量(Tb.N)增加近2倍，三重免疫荧光证实缺损区巨噬细胞IP3R/MCU表达降低。

讨论部分指出，该研究首次揭示HA通过IP3R/MCU轴加剧线粒体钙超载，导致巨噬细胞代谢僵化于糖酵解状态。ACZP中Zn²⁺发挥双重调节作用：既作为ATP辅因子优化OXPHOS，又通过抑制IP3R/MCU复合物形成减少病理性钙转移。这种"代谢重编程"策略使缺损区抗炎巨噬细胞比例恢复至生理水平，为骨再生创造有利免疫微环境。从转化医学角度看，ACZP将传统HA材料的降解周期从数年缩短至月余，且锌离子的安全浓度窗口(11.25-45μM)已通过系统毒性实验验证。该研究不仅为牙槽骨再生提供新型材料，更重要的是建立了"材料-免疫代谢-组织再生"的跨学科研究范式，对开发其他组织工程材料具有重要借鉴意义。