Mn/Zn双金属MOF集成水凝胶通过MAVS-DRP1轴抑制BMSCs过度线粒体分裂促进骨质疏松性颌骨修复

《Advanced Science》：Mn/Zn Bimetallic MOF-Integrated Hydrogel Alleviates Excessive Mitochondrial Fission in BMSCs to Promote Osteoporotic Jawbone Repair

　　

骨质疏松性颌骨缺损由于病理性骨质疏松微环境导致骨愈合受损和新骨再生不足，其中慢性炎症和活性氧（reactive oxygen species, ROS）过度积累损害骨髓间充质干细胞（bone marrow-derived mesenchymal stem cells, BMSCs）功能。在本研究中，研究人员发现骨质疏松性BMSCs表现出成骨分化和迁移能力降低，伴随细胞内ROS水平升高、线粒体在功能和结构层面失调。针对这一病理生理过程，研究人员通过将锰掺杂沸石咪唑酯骨架-8（zeolitic imidazolate framework-8, ZIF-8）纳米颗粒纳入明胶甲基丙烯酰（gelatin methacryloyl, GelMA）基质，构建了一种局部可注射的Mn-ZIF-8@GelMA水凝胶，协同整合氧化还原调节与成骨刺激。Mn-ZIF-8@GelMA有效缓解氧化应激、改善线粒体功能及骨质疏松性BMSCs的成骨能力。机制上，Mn-ZIF-8@GelMA处理增加线粒体抗病毒信号蛋白（mitochondrial antiviral signaling protein, MAVS）表达，降低动力相关蛋白1（dynamin-related protein 1, DRP1）磷酸化，并缓解过度线粒体分裂。线粒体破坏和MAVS敲低进一步提示，MAVS和DRP1可能参与Mn-ZIF-8@GelMA的线粒体重塑和成骨效应。体内，Mn-ZIF-8@GelMA显著促进骨质疏松小鼠拔牙窝修复。该工作提出一种用于骨质疏松性颌骨修复的Mn/Zn双金属金属有机框架（metal-organic framework, MOF）集成GelMA水凝胶，并强调氧化还原介导的内源性BMSCs线粒体调控是克服骨质疏松条件下骨再生受损的有前景策略。

骨质疏松性颌骨缺损以再生能力受损为特征，拔牙是最常见临床场景。流行病学显示骨密度降低与牙丧失相关，临床前证据显示骨质疏松条件下拔牙窝修复延迟。病理性延迟与成骨和破骨细胞介导的骨吸收失衡，以及慢性炎症和酸性局部微环境相关。牙槽嵴保存（alveolar ridge preservation, ARP）常用于限制拔牙后嵴减少，但其技术敏感、需严格病例选择和软组织管理，且易被骨质疏松微环境削弱。全身药物局部生物利用度有限，高剂量或长期用药还可能增加药物相关性颌骨坏死风险。水凝胶因生物相容性、可注射性、缺损适形性、类细胞外基质特性和局部递送能力受到关注，但常需加入骨形态发生蛋白2（bone morphogenetic protein 2, BMP-2）等生长因子，存在超生理剂量、局部炎症和异位骨形成风险，且释放控制、长期生物安全性、制备复杂性和成本仍受限。骨髓间充质干细胞（bone marrow-derived mesenchymal stem cells, BMSCs）是成骨细胞谱系和新骨形成的主要细胞来源，骨质疏松条件下BMSCs存在内在功能障碍，成脂倾向增加、线粒体功能障碍、ROS积累和DRP1依赖性分裂增强。ZIF-8具有pH响应降解和Zn²⁺释放，但缺乏内在氧化还原活性；锰（Mn）可模拟超氧化物歧化酶和过氧化氢酶等抗氧化作用。研究人员据此设计Mn掺杂ZIF-8双金属MOF并整合入GelMA水凝胶，构建局部应用、兼具成骨和抗氧化功能的复合体系，探索ROS-线粒体分裂-细胞稳态轴。该论文发表在《Advanced Science》。

为开展研究，研究人员使用八周龄雌性C57BL/6小鼠构建双侧卵巢切除术（ovariectomy, OVX）骨质疏松模型，并分离Ctrl和OP组原代mBMSCs；构建Mn-ZIF-8纳米颗粒及Mn-ZIF-8@GelMA水凝胶。关键技术包括材料理化表征、体外ROS和线粒体功能与形态分析、RT-qPCR、Western blot、免疫荧光、RNA测序、慢病毒shMAVS敲低、CCCP干预、抗菌与止血实验，以及OP小鼠上颌第一磨牙拔牙窝模型结合micro-CT、H&E、Masson和免疫荧光评价。

研究结果如下。2.1 骨质疏松条件损害BMSC功能并破坏线粒体稳态。2.1.1 OP-mBMSCs成骨分化受损与氧化应激：通过Alizarin Red和Oil Red O染色发现矿化结节减少、脂滴增加；RT-qPCR和Western blot显示alpl、runx2、bmp2、col1a1和BMP-2降低；划痕实验显示迁移降低；ATP减少；sirt1、nrf2降低；DCFH-DA和MitoSOX显示胞内和线粒体ROS升高。2.1.2 OP-mBMSCs线粒体形态异常：TEM显示线粒体肿胀、圆化、嵴模糊碎片，aspect ratio降低；共聚焦显示线粒体点状、核周聚集，线粒体数量、分支数、平均分支长度和footprint降低，提示过度分裂和网络塌陷。2.2 Mn-ZIF-8与Mn-ZIF-8@GelMA表征。2.2.1 理化性质：Mn-ZIF-8保持菱形十二面体，粒径增大至348.83±56.98 nm；EDS显示C、N、Zn、Mn均匀分布，Mn占金属元素0.04%；XPS显示Mn²⁺和Mn⁴⁺共存，分别占51.12%和48.88%；具有浓度依赖性清除•O₂^?、H₂O₂和•OH能力。GelMA复合后形成多孔三维网络，元素分布均匀，XRD显示ZIF-8拓扑保留但峰位和强度变化，力学模量随纳米颗粒浓度增加。2.2.2 体外细胞相容性与离子释放：24 h时高于0.5% Mn-ZIF-8有一定毒性，72 h时0.1%、0.3%、0.5%组促进增殖；21天完全降解，L-Gel、M-Gel、H-Gel的Mn释放分别达1695.96±7.83、2748.36±31.28、3719.79±72.16 μg/L，Zn和Mn释放呈浓度依赖性且持续；部分纳米颗粒可被细胞内化并发生结构转化。2.2.3 抗菌活性：Mn-ZIF-8@GelMA对大肠杆菌和变形链球菌均有抗菌活性，且随Mn-ZIF-8含量增加而增强。2.2.4 止血性能：小鼠肝损伤模型显示水凝胶显著减少出血，GelMA本身也有止血性能。2.3 Mn-ZIF-8@GelMA对OP-mBMSCs体外生物学效应。2.3.1 促进成骨分化：增强矿化、减少脂滴，上调alpl、runx2、bmp2、col1a1和BMP-2，M-Gel组最强；免疫荧光显示OPN、铺展形态和细胞骨架组织增加。2.3.2 缓解线粒体功能障碍和氧化应激：降低ROS，恢复JC-1线粒体膜电位，增加ATP；下调dnm1l、fis1，上调mfn1、mfn2、opa1；共聚焦显示线粒体伸长和网络恢复；MitoTEMPO和VAS2870实验提示线粒体和非线粒体ROS均参与，Mn-ZIF-8@GelMA同时降低两者；ZIF-8@GelMA有一定效果，但Mn-ZIF-8@GelMA更强。2.4 Mn-ZIF-8@GelMA活性潜在机制。2.4.1 RNA测序分析：鉴定出6107个差异表达基因，包括3054个上调和3053个下调基因；GO上调涉及DNA复制、线粒体蛋白复合物、催化活性和ATP水解，下调涉及细胞运动负调控、干扰素-β反应、溶酶体膜、自噬体形成和GTP酶调节；KEGG上调细胞周期、氧化磷酸化、碳代谢、氨基酸生物合成和DNA复制，下调MAPK、TNF、FoxO和AGE-RAGE等应激炎症信号。2.4.2 Mn-ZIF-8@GelMA通过MAVS介导抑制DRP1依赖性分裂挽救线粒体动力学：OP-mBMSCs中总DRP1和p-DRP1 Ser616升高，MAVS和BMP-2降低；Mn-ZIF-8@GelMA恢复MAVS、降低p-DRP1 Ser616并增加BMP-2。CCCP增加p-DRP1 Ser616并部分逆转MAVS和BMP-2上调；shMAVS增加p-DRP1、降低BMP-2、损害迁移并导致线粒体碎片化。2.5 Mn-ZIF-8@GelMA加速体内OP拔牙窝修复：在OP小鼠上颌第一磨牙拔牙窝模型中，14天时主要器官H&E未见明显异常；micro-CT显示Mn-ZIF-8@GelMA增加BV/TV、Tb.Th、Tb.N并降低Tb.Sp；H&E和Masson染色显示更广泛有序的骨小梁和胶原沉积；免疫荧光显示BMP-2和MAVS升高；14天时无明显水凝胶残留。

讨论部分总结：结果讨论认为，氧化应激和线粒体异常是OP-mBMSC功能障碍中相互关联的特征；Mn-ZIF-8@GelMA可同时降低线粒体和非线粒体来源ROS，Mn掺入提供ZIF-8/Zn²⁺之外的氧化还原调节活性。局限包括：游离Mn²⁺作为直接对照受细胞相容性限制，Mn和Zn的独立生物学作用尚未完全区分；水凝胶体内降解动力学和残留量未定量评价。未来需离子特异性控制体系、纵向成像或组织追踪研究。

研究结论翻译：总之，本研究提出一种面向线粒体稳态的生物材料策略，用于增强骨质疏松性颌骨缺损再生。研究人员开发了一种具有氧化还原活性的Mn/Zn双金属纳米颗粒负载GelMA水凝胶，以调控骨质疏松骨的病理微环境。通过减少过度ROS积累并恢复线粒体功能稳态，该复合水凝胶挽救了OP-mBMSCs受损的成骨能力，并显著促进骨质疏松性拔牙窝内新骨形成。机制上，研究结果揭示Mn-ZIF-8@GelMA通过激活MAVS并抑制DRP1介导的线粒体分裂，恢复线粒体动态平衡，从而缓解氧化应激诱导的线粒体功能障碍并重建细胞生物能量能力。该MAVS-DRP1-线粒体动力学调控轴为线粒体稳态如何调控骨质疏松条件下BMSCs成骨潜能提供了机制解释。这些发现强调线粒体功能障碍是骨质疏松性骨再生的核心治疗靶点，并建立一种临床可转化的方法，即局部递送生物材料以挽救干细胞生物能量稳态，从而克服再生抵抗。因此，这项工作既为骨质疏松性颌骨缺损修复提供机制见解，也为再生牙科多功能生物材料开发提供有前景的策略。