《Bioactive Materials》：Microenvironmental barriers to healing in osteoradionecrosis and opportunities for regenerative intervention
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辐射诱导的衰老是骨放射性坏死（osteoradionecrosis，ORN）的核心且未得到充分认识的驱动因素。衰老相关分泌表型（senescence-associated secretory phenotype，SASP）信号维持着一个不利于再生的骨微环境。细
辐射诱导的衰老是骨放射性坏死（osteoradionecrosis，ORN）的核心且未得到充分认识的驱动因素。衰老相关分泌表型（senescence-associated secretory phenotype，SASP）信号维持着一个不利于再生的骨微环境。细胞特异性辐射反应破坏了成骨-血管生成的偶联。基于支架的生物材料能够实现局部衰老治疗药物递送。将衰老治疗药物与再生支架相结合，有望在生物学层面解决骨放射性坏死问题。
**研究背景与核心问题**
全球癌症发病率预计到2040年将升至2840万例，较2020年增加47%，其中 transitioning countries（转型国家）负担尤为沉重。头颈癌（head and neck cancer，HNC）作为全球第七大常见恶性肿瘤，每年新发病例约94万例，死亡约48万例。超过90%的头颈癌为鳞状细胞癌（head and neck squamous cell carcinoma，HNSCC）。放射治疗（radiotherapy，RT）是头颈癌管理的核心手段，约75%的HNSCC患者接受光子调强放疗（intensity-modulated RT，IMRT）或质子放疗（proton RT，PRT）。尽管放疗可有效实现局部肿瘤控制，但高剂量辐射暴露会对口腔软硬组织造成显著不良影响。
骨放射性坏死（osteoradionecrosis，ORN）是放疗后的一种罕见但严重的并发症，其特征为暴露或影像学上显示非存活坏死骨持续3-6个月以上无法愈合，通常在放疗后4个月至2年间发病。ORN的病理生理机制复杂，放射线诱导内皮损伤、微血管破坏、进行性缺氧、细胞减少和纤维化，并损害骨重塑和创面愈合能力。尽管目前已有多套ORN分类系统（如Marx分类、Notani分类、ClinRad系统），但这些系统多为描述性和回顾性，对疾病发生、持续和进展的潜在生物学机制认识有限。现有治疗策略（如高压氧治疗、己酮可可碱联合生育酚、手术清创及游离皮瓣重建）主要针对感染、血管功能不全、纤维化和结构缺损等下游表现，但疗效持久性不一，辐照组织的生物学能力未得到根本恢复。
越来越多的证据表明，电离辐射（ionizing radiation，IR）诱导骨内多种细胞群体发生应激诱导的早衰（stress-induced premature senescence，SIPS），其特征是不可逆的增殖停滞和衰老相关分泌表型（senescence-associated secretory phenotype，SASP）的出现。衰老细胞以p16
INK4表达为特征，通过持续分泌SASP因子引发慢性炎症、细胞外基质（extracellular matrix，ECM）重塑和邻近细胞旁观者衰老，并通过自分泌和旁分泌反馈环路自我放大。研究人员提出，不应将ORN视为单纯的结构破坏，而应将其看作由持续性血管、免疫、代谢、细胞和基质功能障碍构成的多屏障再生障碍，并由此提出靶向辐射诱导细胞衰老的衰老治疗（senotherapy）策略，联合再生生物材料以恢复组织修复能力。该综述发表于《Bioactive Materials》。
**研究内容与主要结论**
研究人员系统综述了放疗对骨微环境各细胞群体的损伤机制、现有ORN分类与治疗策略的局限，并提出衰老治疗与再生生物材料相结合的新型干预思路。通过整合辐射诱导微环境损伤、细胞衰老生物学和骨组织工程的前沿进展，研究人员论证了将ORN重新定义为衰老驱动的再生失败、并采用靶向生物学干预加以解决的合理性。该综述填补了既往文献未能将细胞衰老视角与ORN治疗策略整合的空白，为开发针对辐照骨微环境的再生干预方案提供了理论基础。
**主要关键技术方法**
该研究为一篇叙述性综述，未开展原始实验。研究人员系统检索并整合了已发表的临床前及临床研究数据，涵盖多种研究模型，包括：①小鼠和大鼠 focal limb或femoral irradiation（局部肢体或股骨照射）模型；②大鼠及兔颌骨ORN模型（经单次或分次照射联合牙拔除诱导）；③小鼠、大鼠的衰老相关骨丢失模型；④人源细胞体外辐照模型（骨髓间充质干细胞、成骨细胞、内皮细胞等）；⑤早期临床病例报告（如自体骨髓间充质干细胞联合HA/β-TCP支架治疗下颌骨ORN）。通过归纳不同模型中辐射诱导的细胞衰老表型、SASP特征及组织学改变，系统评估了各类衰老治疗药物及生物材料递送系统的潜在疗效。
**研究结果**
**2.1 细胞特异性辐射反应与ORN发病机制**
**2.1.1 成骨细胞与成骨祖细胞**
辐射降低成骨细胞数量及骨基质形成，损害其增殖和分化能力，诱导细胞周期阻滞和胶原产生减少。辐照组织中骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）的数量、克隆形成能力和成骨分化能力下降，并出现向脂肪细胞分化的命运偏移，导致骨髓脂肪堆积和骨形成进一步抑制。
**2.1.2 骨细胞**
辐照后骨细胞出现树突结构破坏、持续性γH2AX DNA损伤灶、硬骨素（sclerostin）表达升高及RANKL/OPG信号失调。辐照骨细胞在与破骨前体细胞共培养时显著促进破骨细胞生成，表明骨细胞是辐射诱导骨吸收的主动驱动因素而非被动受害者。
**2.1.3 破骨细胞**
辐照后24小时内血清抗酒石酸酸性磷酸酶5b（tartrate-resistant acid phosphatase 5b，TRAP5b）升高，破骨细胞数量和活性在早期增加，导致快速骨丢失。早期骨丢失发生在成骨细胞数量和骨形成相对未变的时期。后期成骨细胞和破骨细胞活性均下降，骨重塑长期受抑，骨微结构恶化，成为established ORN的标志。
**2.1.4 造血环境**
单次2戈瑞（gray，Gy）照射后，成年小鼠髓系和单核-巨噬细胞谱系细胞增加，TRAP5b表达升高。辐射驱动巨噬细胞适应不良活化，导致炎症无法消退。IR还促进树突状细胞成熟和炎性NF-κB信号传导，损害BMSC的迁移、增殖和成骨分化。
**2.1.5 口腔微生物组与局部炎症环境**
放疗后口腔微生物群落转变为以普雷沃氏菌科、梭杆菌科、卟啉单胞菌科、放线菌科和葡萄球菌科为主的致病菌群，破坏微生物平衡和免疫应答，促进炎症，干扰健康骨重塑过程。
**2.1.6 内皮细胞与脉管系统**
辐射破坏内皮完整性和血管供应。Himburg等对C57BL/6小鼠进行5或7.5-Gy全身照射，发现两剂量下骨髓窦状脉管均在6-24小时内急性破坏；5-Gy组在第14天出现血管恢复，而7.5-Gy组内皮凋亡持续且血管再生延迟。回顾性分析显示，人下颌骨活检标本中辐射剂量超过50-Gy时优先减少小口径血管并抑制新生血管形成。
**2.2 辐照骨中的持续性细胞应激状态**
**2.2.1 氧化应激、铁代谢紊乱与铁死亡**
IR通过辐射分解和持续性线粒体功能障碍产生活性氧（reactive oxygen species，ROS），造成超出初始暴露范围的氧化损伤。铁稳态破坏可进一步放大氧化环境并导致铁死亡（ferroptosis），这是一种铁依赖的、由脂质过氧化驱动的调节性细胞死亡。辐射分解铁蛋白释放铁离子，并诱导红细胞裂解，骨髓铁蓄积可诱导粒细胞-巨噬细胞祖细胞铁死亡，损害成骨细胞活性、促进破骨细胞生成并使巨噬细胞向炎性M1表型极化。
**2.3 衰老驱动的ORN骨愈合失败**
跨骨驻留细胞群体，辐射诱导衰老产生再生、免疫消退和成骨-血管生成偶联方面的趋同缺陷。衰老细胞呈现低复制但代谢活跃的状态，以p16
INK4表达为特征；p21阳性衰老细胞在辐照后急性期占主导并导致早期骨丢失，而p16阳性衰老细胞缓慢积累并驱动长期骨骼退变。SASP信号通过自分泌和旁分泌反馈环路自我放大，在辐照组织内形成慢性炎症和旁观者衰老，导致治疗抵抗和疾病慢性化。
**分类与现有治疗策略**
Notani分类依据下颌骨受累垂直范围与下牙槽神经管的关系，将ORN分为三型：I型局限于牙槽骨，II型延伸至下牙槽神经管以上但保持连续性，III型累及神经管以下并/或伴病理性骨折或皮肤瘘管。Marx于1983年提出缺氧-细胞减少-血管减少理论，推动高压氧治疗（hyperbaric oxygen therapy，HBOT）的临床应用。Delanian等随后提出辐射诱导纤维萎缩（radiation-induced fibroatrophic，RIF）模型，将ORN重新定义为慢性炎症、内皮功能障碍、过度纤维化和组织萎缩的动态过程，并据此采用己酮可可碱联合生育酚（PENTO）及加用氯膦酸盐（PENTOCLO）的抗纤维化策略。现有治疗对早期和中期ORN采用保守治疗，对晚期病变采用手术切除加游离皮瓣重建。然而，随机对照试验稀缺，治疗策略多为经验性，且尚无模型能完全解释骨驻留细胞群体的持续性功能障碍。
**生物材料与再生策略**
**4.1 细胞与细胞导向的再生策略**
间充质干细胞（MSCs）因其成骨、血管生成和免疫调节特性受到广泛关注。Phulpin等在30-Gy大鼠后肢照射模型中经皮质钻孔直接注入2×10
6标记BMSCs，一周时细胞保留率约40%，骨血流量和成骨细胞代谢显著增强，但治疗效果在注入后两个月消退。Ohara等用人牙髓干细胞来源的小细胞外囊泡（small extracellular vesicles，sEVs）处理辐照大鼠骨髓细胞，体外降低了衰老相关基因表达，体内静脉给药增加新骨形成并改善牙龈覆盖。Zhou等用人羊膜MSC来源的sEVs在辐照BMSC和内皮细胞培养物及大鼠颌骨ORN模型中改善骨形成和血管再生，机制涉及磷酸肌醇3-激酶/蛋白激酶B（phosphoinositide 3-kinase/protein kinase B，PI3K/AKT）信号通路激活。Yan等发现健康BMSC来源的含富半胱氨酸血管生成诱导因子61（cysteine-rich angiogenic inducer 61，CYR61）迁移体（migrasomes）通过激活整合素αvβ3和细胞外信号调节激酶信号，恢复辐照BMSC的迁移和成骨分化。
**4.2 生物材料和支架再生策略**
Hussein等在辐照和非辐照兔下颌骨全层临界尺寸缺损中植入Bio-Oss（牛源性颗粒骨移植物），八周后辐照组新生骨显著更少、软组织更多、缺损桥接更少，表明被动骨传导移植物无法克服辐照组织的细胞减少和血管减少。Wang等在小型猪25-Gy照射加拔牙诱导的晚期下颌骨ORN模型中，采用自体BMSCs负载HA/β-TCP颗粒载体，实现了骨、微血管和周围软组织的再生，并消除ORN相关瘘管；单纯陶瓷载体效果显著较差。Li等开发可注射剪切变稀DNA超分子水凝胶作为BMSCs的三维支架，将移植MSCs及其外泌体的局部保留延长至三周以上，通过改变FAK整合素信号和Hippo-YAP信号驱动外泌体microRNA和旁分泌谱向再生表型转变，促进坏死骨去除和重塑、刺激成骨、减轻炎症并恢复下颌骨结构。
**衰老靶向治疗策略**
**5.1 衰老治疗策略**
Chandra等对4月龄雄性C57BL/6小鼠股骨远端施加单次24-Gy局部照射，达沙替尼（5 mg/kg）、槲皮素（50 mg/kg）、非瑟酮（50 mg/kg）或D+Q联合口服给药。D+Q联合方案最一致地降低衰老标志物和SASP因子表达，增加骨小梁体积分数、连接密度、成骨细胞数量和骨形成率，并减少骨髓脂肪。Li等开发阿仑膦酸功能化脂质体包裹D+Q（Aln-Lipo-DQ），在15-Gy下肢照射小鼠中使骨体积分数较未处理辐照对照组增加约2.91倍，优于口服或非靶向脂质体制剂。Xing等开发骨靶向肽（DSS）6功能化槲皮素脂质体，在衰老骨髓细胞模型和老年小鼠骨模型中更有效降低骨内衰老细胞负荷、恢复BMSC增殖和成骨能力、改善骨量和骨小梁微结构。Tomé等利用环糊精-金刚烷主客体相互作用工程化载navitoclax聚合物纳米颗粒，在不引起游离navitoclax相关全身性血小板减少的情况下实现靶向衰老细胞清除。
**讨论与结论**
研究人员指出，目前尚无研究在颌骨ORN模型中直接评估衰老治疗或衰老调节治疗的效果，绝大多数动物研究采用单次高剂量照射并立即启动治疗，与临床中分次放疗后数月或数年发病的实际过程存在差距。未来应在临床相关的下颌骨模型中使用分次照射方案并在衰老确立后延迟治疗，评估下颌骨血管密度、纤维化、骨细胞存活、黏膜愈合、感染、机械完整性和功能性再生等多维度结局。监管方面，生物材料支架联合衰老治疗药物、生长因子、细胞或EVs构成FDA定义下的组合产品，需协调器械、生物制品和药物的监管框架。制造方面要求符合良好生产规范（good manufacturing practice，GMP）的可重复规模化生产，冷冻保存和货架期限制进一步增加临床部署难度。研究人员总结认为，ORN不应再被视为单纯结构组织破坏的不可避免后果，而是一种由适应不良的辐照微环境维持的病理状态。将衰老靶向干预与生物材料、细胞和分子再生平台相结合，通过同时消除愈合的生物学障碍和恢复功能性骨再生所需机制，可能是实现持久恢复的最有效路径。未来ORN治疗的关键在于跨学科的、机制驱动的方法，同时解决辐射诱导组织损伤的原因和后果。
