水凝胶支架封装MSC-Exos与ZIF-8通过协同调控成骨与免疫调节促进骨再生

推荐：针对临界尺寸骨缺损修复中骨再生受限和免疫反应不足的难题，研究人员开发了封装间充质干细胞外泌体(MSC-Exos)和沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)的GelMA复合水凝胶。该支架通过miR-23a-3p/PTEN/AKT通路促进成骨分化，并通过抑制P100泛素化调控NF-κB通路诱导M2型巨噬细胞极化，实现协同增强的骨再生与免疫调节。该研究为骨组织工程支架设计提供了新策略。

　　

骨组织修复面临重大挑战，尤其是临界尺寸骨缺损的再生受限和免疫微环境失衡问题。传统自体骨移植存在供体有限和二次创伤等缺点，而人工骨材料在免疫相容性和功能协同性方面仍有不足。间充质干细胞外泌体(MSC-Exos)虽具有成骨诱导潜力，但其免疫调节功能在成骨分化过程中显著下降。金属有机框架材料(MOFs)如沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)展现出独特的免疫调节特性，但分子机制不明。针对这一科学难题，中山大学深圳校区生物医学工程学院的Yunhui Si、Xiaorong Li等人在《Bioactive Materials》发表研究，通过构建MSC-Exos和ZIF-8共载的GelMA水凝胶支架，系统解决了骨再生中"成骨-免疫"协同调控的关键问题。

研究采用超速离心法分离成骨诱导的骨髓间充质干细胞(BMSCs)外泌体，通过溶剂法合成ZIF-8纳米颗粒，并利用光交联技术制备复合水凝胶。通过micro-CT、组织学和免疫荧光染色评估体内骨再生效果，结合RNA测序和分子生物学实验阐明机制。

3.1. ZIF-8与MSC-Exos的表征

成功制备出粒径约400 nm的菱形十二面体ZIF-8，其比表面积达1154.89 m²/g。从成骨诱导14天的BMSCs中分离出直径157.2 nm的MSC-Exos，Western blot验证其标志蛋白CD63/CD9/CD81表达。

3.2. 复合水凝胶表征

¹H NMR证实GelMA取代度为89%，FTIR显示ZIF-8特征峰。Z/E@Gel压缩强度达108.3±7.1 kPa，较纯GelMA提升57%。释放实验显示ZIF-8延缓exosomes释放，锌离子持续释放28天。

3.4. 体外成骨分化

Z/E@Gel组碱性磷酸酶(ALP)活性和矿化结节形成较对照组提高3.2倍。免疫荧光显示骨钙素(OCN)和I型胶原(Col I)表达显著上调，Runx2蛋白表达增加2.8倍。

3.5. 成骨机制分析

miRNA测序发现成骨诱导后miR-23a-3p表达上调6.4倍。双荧光素酶报告证实其靶向PTEN 3'-UTR，通过PTEN/AKT通路激活下游成骨基因。转染miR-23a-3p模拟物可使BMSCs中p-AKT水平提高2.1倍。

3.6. 免疫调节特性

流式细胞术显示Z/E@Gel组M2型巨噬细胞(CD206⁺)比例达61.5%，较对照组提高4.3倍。ROS水平降低68%，抗炎因子IL-10表达上调3.5倍。

3.7. 免疫调节机制

RNA测序发现ZIF-8抑制非经典NF-κB通路。免疫印迹显示P100泛素化降低42%，核内RelB减少67%。点突变实验证实K332/K338是ZIF-8调控的关键泛素化位点。

3.9. 体内骨形成评估

大鼠颅骨缺损模型显示，8周后Z/E@Gel组新骨体积分数(BV/TV)达38.7%，较对照组提高3.8倍。免疫荧光显示缺损区OCN阳性面积增加4.2倍，CD206⁺/iNOS⁺比值提高5.6倍。

该研究创新性地将成骨诱导的MSC-Exos与ZIF-8整合，首次揭示ZIF-8通过抑制P100(K332/K338)泛素化调控NF-κB通路的分子机制，同时阐明miR-23a-3p/PTEN/AKT轴在exosomes介导的成骨分化中的核心作用。这种"双信号"调控策略为设计具有免疫调节功能的骨修复材料提供了新思路，解决了传统支架材料"重成骨轻免疫"的瓶颈问题。研究采用的GelMA水凝胶具有良好的临床转化前景，其温和的光交联条件有利于保持生物活性物质的效能。未来可通过微流控技术制备可注射型微球，进一步拓展在复杂骨缺损中的应用。