一氧化氮驱动的铜稳态调控与颅骨缺损再生：L-精氨酸负载HKUST-1通过抑制铜死亡协同促进成骨

针对铜基生物材料因铜死亡（cuproptosis）导致的细胞毒性问题，研究人员开发了L-精氨酸负载的铜金属有机框架（LA@HK），通过一氧化氮（NO）介导的有氧糖酵解（Warburg-like效应）抑制铜死亡并协同促进成骨。多组学分析揭示其通过上调谷胱甘肽（GSH）合成、下调GABA旁路增强代谢重编程，GelMA水凝胶载药体系显著促进骨缺损修复与血管生成，为铜基材料的安全应用提供新策略。

　　

骨骼缺损修复一直是生物医学领域的重大挑战，尤其是临界尺寸骨缺损（CSD）无法自行愈合，传统移植材料存在诸多限制。铜离子（Cu²⁺）因其促血管生成、成骨分化和抗菌特性被广泛应用于骨修复材料，但高浓度铜会引发新型细胞死亡方式——铜死亡（cuproptosis），这种依赖氧化磷酸化的死亡机制严重限制了铜基材料的应用。有趣的是，肿瘤细胞通过瓦氏效应（Warburg effect）逃避铜死亡，而成骨分化同样偏好有氧糖酵解而非氧化磷酸化。这一代谢共性启发科学家思考：能否通过调控能量代谢途径，在铜基材料中实现细胞存活与成骨的双赢？

来自中国的研究团队通过设计L-精氨酸负载的铜金属有机框架材料（LA@HKUST-1，简称LA@HK），巧妙利用一氧化氮（NO）的代谢调控功能，成功解决了这一难题。该研究发表于《Biomaterials》，揭示了NO通过促进谷胱甘肽合成和糖酵解通量，同时抑制三羧酸循环（TCA）补充的协同机制，为铜基生物材料的临床转化提供了全新思路。

关键技术方法
研究采用溶剂热法合成纳米级HKUST-1（HK），通过物理吸附负载L-精氨酸；利用NOS催化及H₂O₂消耗实现NO缓释；通过转录组与代谢组联合分析（multi-omics）解析代谢通路；将LA@HK封装于甲基丙烯酰化明胶（GelMA）水凝胶构建骨修复支架；采用大鼠颅骨缺损模型评估成骨效果。

研究结果

1. LA@HK的表征与NO释放特性
   纳米级HKUST-1成功负载L-精氨酸后，通过NOS催化及铜离子介导的Fenton样反应实现NO持续释放。与单纯HK相比，LA@HK显著降低细胞内活性氧（ROS）积累。

2. 铜死亡抑制与成骨协同效应
   LA@HK通过NO上调谷胱甘肽合成酶（GSS）表达，增强细胞抗氧化能力；同时抑制γ-氨基丁酸（GABA）旁路，减少T循环代谢物补充，迫使细胞转向有氧糖酵解。这种代谢重编程使BMSCs在铜离子存在下存活率提升40%，碱性磷酸酶（ALP）活性增加2.3倍。

3. 动物模型验证
   LA@HK/GelMA组在8周时新骨体积较对照组增加178%，血管密度提高92%，且炎症因子TNF-α表达下降60%。材料同时保持对金黄色葡萄球菌（99%抑菌率）和压缩模量（12.7±1.3 kPa）的优化性能。

结论与意义
该研究首次将铜死亡机制引入骨再生领域，提出"代谢干预"的材料设计范式。LA@HK通过NO-GSH-糖酵解轴实现三重调控：① 解毒作用：GSH中和过量铜离子；② 代谢转换：糖酵解替代氧化磷酸化逃避铜死亡；③ 成骨促进：糖酵解为骨分化提供能量底物。这种"一石三鸟"的策略不仅将铜的安全浓度窗口扩大3倍，更揭示了NO通过代谢重编程协调细胞命运的新机制，为代谢工程化生物材料的设计提供理论依据。

值得注意的是，研究中发现的GABA旁路下调现象为骨代谢研究开辟了新视角——传统认为GABA主要作用于神经系统，但其代谢中间产物琥珀酸半醛（SSA）可能通过影响T循环流量调控成骨分化。未来针对这一通路的深入研究，或将带来骨再生领域的突破性进展。