乳酸功能化3D打印PCL/nHA支架通过代谢-表观遗传交互作用驱动BMSC成骨分化

针对临界尺寸骨缺损修复中骨髓间充质干细胞(BMSC)成骨潜能不足的难题，研究人员开发了乳酸钠(SL)功能化的3D打印聚己内酯/纳米羟基磷灰石(PCL/nHA)支架。该支架通过诱导STAT1-K193位点乳酰化修饰，解除STAT1-RUNX2结合抑制，显著增强BMSC矿化能力和成骨标志物表达。体内实验证实其可促进临界尺寸骨缺损的功能性再生，为骨组织工程提供了整合结构与代谢调控的创新策略。

　　

骨缺损修复一直是临床面临的重大挑战，特别是临界尺寸骨缺损往往难以自行愈合。传统自体骨移植存在供体有限、二次创伤等问题，而现有合成支架又难以模拟骨骼复杂的代谢-表观遗传微环境。更棘手的是，体外扩增的人骨髓间充质干细胞(BMSC)在常氧条件下会丧失干性和成骨能力——这就像把习惯高原生活的运动员突然放到平原训练，其表现必然大打折扣。

为解决这一系列难题，湖南的研究团队在《Materials Today Bio》发表了一项突破性研究。他们巧妙地将代谢调控与材料工程相结合，开发出乳酸钠(SL)功能化的3D打印聚己内酯/纳米羟基磷灰石(PCL/nHA)支架。这种智能支架不仅能提供结构支持，还能持续释放乳酸分子，通过一种前所未见的"代谢开关"机制激活干细胞成骨潜能。研究发现，支架释放的乳酸会像"分子钥匙"一样，在STAT1蛋白的K193位点打上乳酰化修饰标签，迫使STAT1从细胞核"搬家"到细胞质。这一过程意外解除了STAT1对成骨主调控因子RUNX2的"禁锢"，使RUNX2能自由启动成骨程序。动物实验显示，该支架可使大鼠颅骨缺损在12周内几乎完全再生，新生骨小梁的密度和厚度媲美天然骨组织。

研究主要采用四大关键技术：溶剂浇铸-3D打印制备梯度乳酸浓度支架；4D标记-free液相色谱-质谱联用技术(LC-MS/MS)进行乳酰化蛋白质组学分析；STAT1基因敲低与位点特异性突变体构建；以及微型计算机断层扫描(micro-CT)量化骨再生效果。

【支架生物相容性与最佳乳酸浓度确定】

通过CCK-8和Western blot证实1%乳酸浓度在维持BMSC活力同时，使RUNX2表达提升8.4倍。持续28天的降解实验显示支架维持pH 5.8-6.6的弱酸性环境，Ca²⁺缓释特性与骨修复进程完美匹配。

【成骨分化时序动态】

PCL/nHA/SL支架在无外源诱导条件下即展现自发矿化能力，14天钙沉积量达对照组的2.1倍。联合成骨诱导后，21天碱性磷酸酶(ALP)活性激增3.1倍，晚期标志物骨钙素(OCN)和骨桥蛋白(OPN)分别上调5.9倍和14倍。

【乳酰化介导的表观遗传调控】

蛋白质组学鉴定出376个差异乳酰化位点，其中STAT1-K193修饰最为显著。基序分析揭示乳酰化偏好发生在组蛋白H3邻近区域，与骨形成、JAK-STAT通路高度相关。

【STAT1乳酰化功能表征】

Co-IP证实乳酰化使STAT1蛋白半衰期从4.94小时延长至3.07小时。免疫荧光显示乳酸处理组STAT1胞质定位比例增加2.4倍，而K193R突变体则顽固地滞留核内。

【K193乳酰化调控STAT1功能】

遗传学实验给出决定性证据：在STAT1敲除细胞中回补野生型STAT1可恢复成骨分化，但K193R突变体却使矿化面积减少81.8%，ALP活性下降56.4%，证明该位点是乳酸调控的分子开关。

【体内骨再生】

Micro-CT定量显示PCL/nHA/SL组骨体积分数(BV/TV)较空白对照组提高3.2倍，新生骨小梁数量(Tb.N)和厚度(Tb.Th)达到天然骨的92%和89%。免疫组化可见RUNX2在缺损区连续强表达，与纤维组织为主的对照组形成鲜明对比。

这项研究开创性地将材料科学与细胞代谢调控相结合，揭示了乳酰化修饰作为"代谢记忆"调控干细胞命运的新范式。与传统生长因子依赖型策略不同，该支架通过内源性乳酸代谢重编程激活表观遗传机制，避免了外源因子的安全风险。特别值得注意的是，STAT1乳酰化诱导的核质穿梭为蛋白质功能调控提供了全新视角——这种不依赖磷酸化的变构机制可能普遍存在于代谢活跃的组织中。未来通过整合免疫调节元件或构建梯度乳酸释放系统，有望进一步优化再生效果。该成果为开发"会呼吸"的智能骨修复材料奠定了理论基础，也为代谢性疾病相关的骨再生障碍提供了潜在解决方案。