锂掺杂硅酸钙支架通过调控巨噬细胞外泌体miR-145-5p促进骨再生的免疫调控机制研究

本研究针对骨修复过程中免疫微环境调控的难题，开发了锂掺杂硅酸钙(LiCS)支架材料，通过诱导巨噬细胞M2极化并释放富含miR-145-5p的外泌体(EVs)，显著抑制炎症反应、促进血管生成和骨再生。研究发现LiCS刺激的M2-EVs可同时调控免疫细胞、间充质干细胞和血管内皮细胞，为骨组织工程提供了新型免疫调控策略。

　　

骨骼损伤修复一直是临床面临的重大挑战，传统骨移植材料往往只关注力学支撑而忽视免疫微环境调控。近年来研究发现，巨噬细胞在骨修复早期起着"调控枢纽"作用——它们既能分泌促炎因子清除坏死组织，又能转化为抗炎表型促进组织再生。然而，如何精准调控巨噬细胞极化方向仍是未解难题。更关键的是，巨噬细胞分泌的外泌体(EVs)作为细胞间通讯的"分子快递"，其内容物如何受生物材料影响并参与骨再生，相关机制尚属空白。

针对这一科学问题，中国医科大学Ming-You Shie团队在《Journal of Nanobiotechnology》发表创新研究，将具有免疫调节活性的锂离子(Li⁺)与具有骨传导性的硅酸钙(CS)结合，开发出新型锂掺杂硅酸钙(LiCS)支架。研究人员采用3D打印技术制备多孔支架，通过体外提取物实验和动物模型，系统研究了LiCS对巨噬细胞极化及外泌体分泌的影响。关键技术包括：1）电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)分析离子释放；2）纳米颗粒追踪分析(NTA)和透射电镜(TEM)表征EVs；3）高通量测序分析miRNA表达谱；4）兔股骨缺损模型评估骨再生效果。

LiCS支架的理化特性

XRD分析证实LiCS保持了硅酸钙的基本晶体结构，3D打印制备的支架具有500μm规则孔道。力学测试显示其抗压强度达9MPa，满足松质骨修复需求。浸泡模拟体液(SBF)7天后，LiCS表面形成致密羟基磷灰石层，XRD显示其结晶度显著高于普通CS支架。离子释放实验证实LiCS可持续释放Si⁴⁺(0.85mM)和Li⁺(0.76mM)，后者浓度远低于细胞毒性阈值。

体内外免疫调节效应

兔股骨植入3天后，免疫组化显示LiCS组M1标志物(TNF-α、IL-6)表达降低40%，而M2标志物(CD163、CD206)显著增加。体外实验证实LiCS提取物使THP-1来源巨噬细胞的CD206⁺比例提升至37%，同时促炎因子IL-1β下降而抗炎因子IL-10上升。细胞因子芯片显示LiCS组血管生成因子(VEGF、SDF-1)表达显著增强。

EVs的特性与功能

透射电镜显示LiCS刺激的巨噬细胞分泌的EVs(LiCSM2EV)具有典型双层膜结构，粒径约100nm。Western blot检测到ALIX、CD63等EV标志蛋白。流式细胞术发现LiCSM2EV高表达CD73/CD146(血管生成相关)和CD14/CD105(成骨相关)。功能实验表明：1）LiCSM2EV使M1巨噬细胞的CD86⁺比例从38.3%降至11.0%；2）HUVEC血管形成实验显示其管腔分支点增加2.1倍；3）WJMSCs的骨钙素(OC)分泌量提升3.4倍。

miR-145-5p的核心作用

RNA测序发现LiCSM2EV中miR-145-5p表达量较对照组提高4.8倍。功能验证实验证实：转染miR-145-5p模拟物的EVs可同时抑制M1巨噬细胞炎症因子(TNF-α降低68%)、促进血管生成(VEGF升高2.3倍)和刺激成骨分化(OC增加2.7倍)；而抑制剂处理则逆转这些效应。

动物实验验证

Micro-CT显示植入8周后，LiCS组的骨体积分数(BV/TV)达41.5%，显著高于CS组(28.3%)。组织学分析发现LiCS组胶原沉积面积增加1.8倍，矿化区域扩大2.4倍，证实其促进骨再生效果。

该研究首次阐明锂离子通过上调巨噬细胞miR-145-5p表达，进而调控外泌体介导的"免疫-血管-成骨"协同再生机制。LiCS支架的创新性体现在：1）突破传统材料单一成骨功能，实现免疫微环境主动调控；2）揭示EVs内容物受生物材料影响的分子机制；3）为开发基于外泌体的无细胞治疗策略提供新思路。这些发现对骨质疏松、骨缺损等疾病的治疗具有重要转化价值，也为设计下一代智能生物材料提供了理论依据。