《Biomaterials》：Dual immuno-mechanical programming of a biomimetic periosteum for load-bearing bone restoration
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•机械力衰退驱动骨膜老化，导致骨膜干细胞/祖细胞（PSCs）成骨功能受损及皮质骨变薄。•老化的骨膜巨噬细胞通过分泌炎症因子，下调PSCs中Piezo1的表达。•生物仿生的骨膜可调节老化炎症微环境，上调并激活Piezo1通道，最终在老龄模型和微重力模型中促进PSC介导的皮质骨修
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机械力衰退驱动骨膜老化，导致骨膜干细胞/祖细胞（PSCs）成骨功能受损及皮质骨变薄。
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老化的骨膜巨噬细胞通过分泌炎症因子，下调PSCs中Piezo1的表达。
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生物仿生的骨膜可调节老化炎症微环境，上调并激活Piezo1通道，最终在老龄模型和微重力模型中促进PSC介导的皮质骨修复。
引言
衰老伴随着骨骼完整性的进行性衰退，皮质骨脆弱性成为老年人骨折风险、残疾和丧失独立性的重要决定因素[1]。皮质骨的变薄和多孔性增加显著降低了整骨强度，然而目前的骨质疏松症药物治疗主要侧重于松质骨和骨矿密度的设计和评估，仅能部分恢复皮质骨的结构和力学性能[2]。皮质骨的沉积和重塑受到骨膜的关键调控，骨膜含有驱动贴附性骨形成和修复的骨膜干细胞（PSCs）[3], [4]。然而，衰老如何重塑骨膜微环境并损害PSCs功能，从而加剧皮质骨退化，仍尚不明确。
"炎性衰老"是机体衰老的一个标志，即低水平、慢性的先天免疫激活状态，伴随衰老细胞积累并分泌衰老相关分泌表型（SASP）[5], [6], [7], [8]。衰老和炎症相关的变化已在多个骨骼区室中被描述，包括骨髓和骨内膜面[9], [10], [11]，这提示骨膜也可能获得促炎、衰老的生态位，从而破坏皮质骨稳态。巨噬细胞是组织炎症和修复的核心协调者，其向经典激活M1或替代激活M2表型的极化转换，关键性地影响着组织损伤与再生之间的平衡[12], [13], [14]。
除时间性衰老外，机械负荷是皮质骨量的主要外在调控因素。真实或模拟微重力环境，包括后肢卸载（HU），会导致快速的皮质骨丢失，通常归因于机械刺激的减少[15], [16]。新兴证据表明，机械卸载可诱发类似衰老的特征，包括成骨细胞谱系功能受损和骨髓免疫细胞谱型改变[17], [18], [19]，但尚不清楚机械信号及其缺失如何重塑骨膜生态位并影响PSCs行为。成骨细胞谱系和基质细胞中的机械敏感离子通道将物理力转化为Ca2+依赖性生化信号，并参与负荷依赖性骨形成[20], [21], [22]。因此，骨膜祖细胞中此类机械转导的破坏可能代表了一种连接衰老和不使用所致皮质骨丢失的共同机制，针对性地调控机械敏感通路可能为恢复成骨能力提供机会。
靶向骨膜生态位的生物材料提供了一种有吸引力的策略，通过在骨表面同时调节免疫信号和机械信号来恢复皮质骨形成，而非单纯依赖外源性生长因子或全身性药物。硫酸化多糖在此背景下尤为引人注目，因其能够与细胞因子和生长因子相互作用并调节巨噬细胞表型[23]。我们此前的工作鉴定出一种硫酸化壳聚糖衍生物——2-N,6-O-硫酸化壳聚糖（26SCS），是一种强效免疫调节材料，可促进抗炎巨噬细胞极化并支持血管重塑[24], [25]。与此同时，电纺膜的架构和纤维尺寸可调节，以激活干细胞/祖细胞中的机械敏感信号[26], [27], [28]。
在本研究中，我们识别出机械力衰退是骨膜老化的驱动因素，损害PSCs的成骨功能并促成皮质骨变薄。我们进一步表明，这种衰退与老化骨膜中的炎症转变相关联，其中巨噬细胞来源的细胞因子信号抑制了PSCs中Piezo1的表达并削弱了其机械敏感信号传导能力。基于这些认识，我们设计了一种电纺仿生骨膜，同时重塑炎性衰老生态位并恢复PSCs的机械转导。26SCS成分将骨膜巨噬细胞重编程为炎症程度较低的状态，而经过调整的纤维架构则上调并机械性激活Piezo1，促进PSCs中Ca2+依赖的YAP核转位和成骨激活。这种双重免疫-机械策略增强了骨膜骨形成并减缓了皮质骨丢失，确立了一种靶向骨膜的生物材料策略来对抗机械力衰退相关骨老化过程中的皮质骨退化（方案1）。
章节摘要
骨膜炎性衰老与Piezo1选择性丢失及老化PSCs成骨功能受损同时发生
为阐明衰老如何重塑骨膜生态位，我们比较了年轻（6周龄）和老龄（21月龄）小鼠的股骨，重点关注皮质骨及其覆盖的骨膜（图1A）。Micro-CT显示老龄股骨皮质骨显著变薄，与体重归一化的皮质骨体积减少以及与年轻对照组相比皮质骨厚度降低（图1B, C）。免疫荧光染色显示骨膜层内p16?细胞显著积聚（
讨论与结论
衰老相关的皮质骨脆弱性仍是骨骼生物学和临床实践中的一个重大未解决问题。大多数关于年龄相关性骨丢失的研究侧重于松质骨和骨髓生态位[41], [42]，而骨膜往往被视为被动的纤维包膜而非皮质骨完整性的主动调控者。我们的发现反而突出了骨膜作为衰老和废用共同汇聚并驱动皮质骨失败的关键部位。在时间性老龄
老化模型
年轻小鼠在6周龄时进行分析，老龄小鼠在21月龄时进行分析。采集股骨和骨膜组织用于微计算机断层扫描（micro-CT）、组织学、免疫荧光、骨膜干细胞/祖细胞（PSC）分离、基因表达分析和细胞因子检测。
后肢卸载与跑台重新加载
对于后肢卸载模型，6周龄雄性C57BL/6J小鼠被随机分配至后肢卸载组或地面控制组。HU组小鼠单独饲养
CRediT作者贡献声明
王小刚：撰写 – 审阅与编辑，项目管理，基金获取，概念设计。王晶：撰写 – 审阅与编辑，指导监督，基金获取，概念设计。李一芝：方法学，调查研究。倪宏翔：方法学，调查研究。刘长生：撰写 – 审阅与编辑，指导监督，基金获取。余家泽：方法学，数据整理。项媛媛：方法学，调查研究。姬露露：撰写 – 原创草稿，方法学，
数据可用性声明
所有数据可在正文或补充材料中获得。与本论文相关的额外数据可向作者索取。
利益冲突声明
? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些情况可能影响本论文中报告的工作。
致谢
感谢上海蛋白质科学国家设施集成激光显微系统的工作人员，为我们提供技术支持以及在数据收集和分析方面的帮助。我们的骨样本micro-CT分析在上海同步辐射光源设施进行，感谢郭海协助。本研究得到了国家自然科学基金重点项目（编号：32230059）、基础科学中心项目（编号：T2288102）的
姬露露|朱福伟|余家泽|项媛媛|李一芝|倪宏翔|王小刚|王晶|刘长生
