双响应水凝胶通过栀子苷和锶离子实现对神经-骨轴的综合调控以促进骨缺损修复

《Biomaterials Advances》：A dual-responsive hydrogel enables integrated regulation of the neuro-osseous axis by geniposide and strontium ions for bone defect repair

　　• 开发了一种温敏且pH响应的STGF水凝胶，实现了对骨修复所需栀子苷和锶离子的顺序递送。• 将草药小分子药物和生物活性离子整合到一个双重响应平台中，以调节骨修复微环境。• 揭示了栀子苷通过PI3K/Akt/GSK-3β通路增强雪旺细胞介导的神经营养支持，并促进BDNF分泌。• 确立了BDNF介导的雪旺细胞—成骨细胞通讯作为神经—骨耦联和成骨再生机制的基础。• 协调炎症调控、神经营养支持和成骨过程，实现多效性骨缺损修复。引言全球范围内，每年报告的需手术重建的骨缺损病例达数百万例，主要源于高能创伤、肿瘤切除或严重感染[1]、[2]。自体骨移植仍是金标准；然而，其临床应用受到骨源受限、供区并发症以及难以实现复杂缺损几何形状的完美匹配等因素的严重制约[3]。传统组织工程策略主要聚焦于提供机械支持并直接诱导成骨，却往往忽视了骨组织高度神经支配的特性[4]、[5]。因此，开发能够在缺损部位实现高质量结构再生的高性能合成骨替代材料，已成为再生医学的紧迫任务。新兴的"神经—骨轴"理论表明，骨—神经相互作用是实现高质量原位骨再生所必需的[6]、[7]。在缺损边缘，周围神经系统组分，特别是雪旺细胞（SCs），可通过旁分泌信号释放神经营养因子，从而调节骨髓间充质干细胞（BMSCs）的命运[8]。然而，大多数现有植入材料缺乏神经诱导微环境，导致缺损部位长期处于"去神经化"状态[9]、[10]、[11]。栀子苷（GEN）是栀子中的主要生物活性成分，在中枢神经和外周神经损伤模型中已显示出显著的組織修复潜力[12]、[13]。药理学研究表明，GEN特异性激活GLP-1受体，从而触发PI3K/Akt信号通路下游的磷酸化级联。通过这一机制，GEN在抑制细胞凋亡和促进神经营养因子转录方面发挥关键作用[14]、[15]。鉴于GEN对该信号通路的强效调节作用，我们假设，将GEN引入骨缺损微环境，不仅可增强神经营养支持，还可改善旁分泌环境以增强BMSCs的成骨分化，从而通过神经营养调节支持骨再生。然而，成功的组织再生严重依赖于适宜的微环境[16]。尽管既往研究表明GEN具有基础抗炎症效应，包括在骨关节炎模型中下调促炎介质（TNF-α和IL-1β）以及减轻神经炎症损伤中的氧化应激[17]、[18]，但与大型骨缺损相关的严重创伤通常引发剧烈的细胞因子风暴和持续性促炎巨噬细胞极化[19]、[20]。这种由严重创伤引发的炎症构成了轴突生长和成骨分化的双重屏障，其强度可能超过任何单一生物活性分子的免疫调节能力[4]、[21]。近年来，无机离子介导的生物学效应在调节骨代谢方面展现出相当大的潜力[22]、[23]。越来越多的证据表明，锶离子（Sr2?）可通过激活细胞膜上的钙敏感受体（CaSRs）模拟钙信号，从而直接上调与骨重塑相关的关键基因，如RUNX2和ALP[24]、[25]。此外，既往研究报告锶离子（Sr2?）具有抗炎和免疫调节作用，包括抑制NF-κB信号通路[26]、[27]、[28]、[29]。基于此背景，我们设计了Sr2?与GEN的组合，以增强缺损修复早期阶段的炎症反应调控。在随后的重建阶段，Sr2?通过上调RUNX2、ALP和COL1A1等关键成骨基因发挥其经典的促矿化作用，从而加速骨基质沉积。这种整合调控——将炎症调节与成骨和神经营养活性相结合——使Sr2?和GEN能够跨越不同的再生过程发挥互补的生物学效应。为实现这种微环境响应的药物学调控，我们开发了一种由Sr-TA NPs、GEN和F127组成的生物工程温敏且pH双重响应复合水凝胶系统（STGF）。其制备过程见图1（Scheme 1）。该系统利用泊洛沙姆（F127）的热敏特性实现原位凝胶化，从而贴合不规则骨缺损的解剖结构[30]。同时，通过将单宁酸（TA）与Sr2?络合构建了金属—多酚纳米网络（Sr-TA NPs），赋予该系统敏感的pH响应性释放动力学[31]。该设计使材料能够感知早期炎症引发的局部酸化，从而加速GEN和Sr2?的释放，以调节局部炎症微环境。在随后的重建阶段，系统转变为缓释模式，从而降低潜在毒性，同时长期维持神经—成骨网络。基于这一设计，我们提出了一种将抗炎效应与神经营养支持和成骨再生相结合的新型骨缺损修复治疗策略。章节摘要GEN对RSC96细胞神经营养反应的调节作用为研究栀子苷（GEN）对RSC96细胞生物学行为的影响并确定最佳浓度，首先采用CCK-8法评估不同浓度GEN对细胞活力的影响。结果显示，GEN在0–48 μM浓度范围内未表现出显著细胞毒性。细胞活力在12 μM时最高，并观察到显著的促增殖效应（图1F）。基于这些发现，所有……讨论骨缺损的功能重建仍然是临床骨科面临的主要挑战[36]。传统组织工程策略主要聚焦于直接诱导成骨，而往往忽视了骨作为高度神经支配器官的生物学特性[23]、[37]、[38]。越来越多的证据表明，理想的骨缺损修复不仅需要早期免疫稳态，还需要有效建立局部"神经—骨轴"[39]、[40]。在本文中……结论在本研究中，我们开发了一种温敏且pH双重响应的复合水凝胶，将抗炎、神经营养和成骨活性相结合，用于骨缺损修复。通过响应早期酸性微环境，该系统实现了GEN和Sr2?的按需释放。这两种组分共同调节TNF-α/NF-κB信号级联，从而有助于抑制缺损部位的炎症反应。随着微环境稳态的建立……材料、细胞和动物单宁酸（TA）、六水合氯化锶（SrCl?·6H?O）和泊洛沙姆F127购自阿拉丁（中国上海）。栀子苷（GEN，98%）购自陕西东河富生物科技有限公司。RSC96雪旺细胞和MC3T3-E1细胞购自普赛诺生物科技有限公司（中国武汉）。体重240–260克的雄性Sprague-Dawley（SD）大鼠由瑞莱博公司提供，饲养于华中科技大学……作者授权本稿件为原创，此前未曾发表，也未在其他地方接受审稿。所有作者均已阅读并批准该稿件，并同意提交至《Biomaterials Advances》。动物实验的伦理审批所有动物实验均经华中科技大学同济医学院伦理委员会批准（[2025] IACUC 第4984号，有效期自2026年2月28日起）。所有动物操作均严格遵循国家实验动物福利准则。资金与致谢本工作得到了江西省中医药管理局中医药科技计划项目（编号：2025022975）、赣州市科技（科技+医疗）联合计划自主科研项目（重点项目）（编号：2025YLCE0007）、江西省自然科学基金一般项目（编号：20242BAB25453）、2023年赣州市"科技+医疗"联合计划项目—重点研发计划（编号：2023LNS17449）、赣州市科技……的支持。CRediT作者贡献声明**殷国强**：可视化、方法学、调查、形式化分析、数据整理、概念化、撰写—原始草稿。**吴荣**：验证、调查、数据整理。**孙雨浩**：可视化、方法学、调查、形式化分析、数据整理、概念化。**刘敬培**：验证、调查、形式化分析、数据整理、概念化。**王宏川**：验证、调查、数据整理。**李帅**：验证、调查、数据整理。**张晓腾**……利益冲突声明作者声明不存在利益冲突。殷国强|吴荣|孙雨浩|刘敬培|王宏川|李帅|张晓腾|谢浣露|詹美枝|廖智伟|周建国