Bio-Oss?/Avitene?复合支架通过骨髓间充质干细胞的早期骨免疫调节促进颌面骨再生：一项体外和临床研究

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Bio-Oss?/Avitene? composite scaffold promotes maxillofacial bone regeneration via early osteoimmunomodulation of BM-MSCs: an in vitro and clinical study

　　

炎症是设计成功的基于生物材料的疗法时需考虑的重要生物学过程。实际上，持续炎症可能导致伤口愈合延迟，并在某些情况下引起生物材料排斥及额外组织损伤。间充质干细胞（MSCs）参与这种关键的细胞间通讯以调节骨愈合。本研究中，研究人员采用MSCs作为体外模型，以评估Bio-Oss^?/Avitene^?复合支架在免疫应答方面的生物学性能。此外，研究人员在因骨骼性错颌、面部不对称或美学指征而接受颌骨截骨术的患者中，评估了使用Bio-Oss^?/Avitene^?复合支架形成的新骨。通过微滴数字PCR（Droplet Digital PCR）分析IL-6和IL-8的基因表达，以及采用Bio-Plex方法检测细胞因子、趋化因子和生长因子的释放，在体外研究了人骨髓来源间充质干细胞（BM-MSCs）的早期炎症反应。临床评估采用锥形束计算机断层扫描（Cone Beam Computed Tomography，CBCT）。体外实验中，Bio-Oss^?/Avitene^?降低了通过微滴数字PCR方法定量的IL-6表达。Bio-Plex结果显示，支架处理细胞至第7天时，单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）和IL-6的蛋白水平降低，而IL-4、IL-8和血管内皮生长因子（VEGF）水平升高。患者CBCT评估显示结果稳定，支持其用于颧骨区域长期美学修复的潜力。这些发现表明，Bio-Oss^?/Avitene^?具有免疫调节潜力，能够引导与骨再生相关的抗炎免疫介导反应，从而通过正颌手术治疗牙颌面畸形。

**论文解读文章**

**研究背景、问题与目的**
功能性及美学性的面部康复是颌面外科的核心目标之一。颌骨截骨术（maxillomandibular osteotomy）是矫正骨骼性错颌、改善面部轮廓的成熟术式。在此背景下，生物材料（支架）成为骨缺损治疗的重要工具。组织微环境在引导细胞命运（稳态、修复或疾病）中起关键作用，因此生物材料被设计为模拟组织微环境的结构、组成和功能以修复或替换受损组织。羟基磷灰石-胶原（HA/Col）复合支架此前在体外诱导脂肪来源间充质干细胞（hASCs）成骨分化，并在临床大样本患者中显示高体积稳定性、良好骨整合及新骨形成证据，且安全性良好。然而，炎症是生物材料植入后必须考虑的关键过程：急性炎症是正常的初始反应，但若持续存在，可发展为慢性炎症，导致纤维囊形成和植入失败。生物材料调节炎症向修复阶段转变的能力至关重要。间充质干细胞（MSCs）通过分泌细胞因子、趋化因子和生长因子（如PGE2、IL-10、TGF-β）与免疫细胞双向通讯，将促炎环境转化为促再生环境，这一概念被称为“骨免疫学”（osteoimmunology）。先前研究评估了Bio-Oss^?/Avitene^?支架对hASCs的影响，发现其能调节细胞免疫应答，降低促炎IL-6并促进有利于成骨的免疫调节反应。本研究的目的是通过分析分泌组（secretome），全面研究该支架对BM-MSCs（骨髓来源间充质干细胞）免疫应答的调节，以阐明在颌面患者中观察到的骨再生机制。论文发表在《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》。

**关键技术方法**
研究人员采用以下主要方法：（1）体外模型：使用商品化人BM-MSCs（购自Lonza，意大利米兰），在支架上培养，以组织培养聚苯乙烯（TCPS）为对照，并在成骨条件（OC）下培养。（2）基因表达分析：采用微滴数字PCR（ddPCR）定量检测IL-6和IL-8的mRNA水平。（3）蛋白分泌谱分析：利用Bio-Plex Pro人细胞因子27-plex试剂盒检测培养上清中27种细胞因子、趋化因子和生长因子的蛋白浓度。（4）临床研究：纳入30例因牙颌面畸形接受双颌正颌手术的患者（来自维罗纳大学医院颌面外科，2020-2022年），使用手工制作的Bio-Oss^?/Avitene^?复合支架进行颧骨增大，术后通过锥形束计算机断层扫描（CBCT）评估新骨形成和体积稳定性。

**研究结果**

**3.1 Bio-Oss^?/Avitene^?生物材料的扫描电镜分析**
通过扫描电镜（SEM）分析支架微观结构：牛胶原纤维与Bio-Oss颗粒混合形成高度纤维化结构，呈现胶原纤维的微观特征（融合/分叉纤维、旋转羟基磷灰石多孔结构），并观察到纤维缠绕和分支。SEM显示细胞在基质上铺展，表明复合支架为BM-MSCs的粘附和增殖提供了良好微环境。

**3.2 生长于Bio-Oss^?/Avitene^?生物材料上的BM-MSCs中促炎细胞因子IL-6和IL-8的mRNA表达**
在第7天，通过ddPCR检测发现：与TCPS对照组相比，生长于支架上的BM-MSCs中IL-6 mRNA显著降低（**p < 0.001），成骨条件组同样显著降低（**p < 0.001）。而IL-8 mRNA在成骨条件组中较支架组和对照组显著降低（*p < 0.01和**p < 0.001）。

**3.3 Bio-Oss^?/Avitene^?生物材料调节BM-MSCs的炎症蛋白应答**
在第3和第7天，通过Bio-Plex检测上清中27种蛋白。结果显示：PDGF、IL-1b、IL-4、IL-10、G-CSF、IP-10和RANTES在两组中均有低浓度表达；而IL-6、IL-8、MCP-1和VEGF呈高浓度表达。具体而言：
- 支架组BM-MSCs中IL-4蛋白在第7天显著升高（*p < 0.05）。
- IL-8在支架组和成骨条件组中均上调（vs 对照组）。
- VEGF蛋白在支架组和成骨条件组中于第3天和第7天均上调（*p < 0.05和**p < 0.001）。
- G-CSF在支架组中于第7天显著升高（*p < 0.05）。
- MCP-1在支架组中下调（vs 对照组）。
- IL-6蛋白在支架组中于第3天显著降低（***p < 0.0001）。
此外，IL-1ra、IL-2、IL-7、MIP-1b、TNF-α在第3天未表达，第7天再加IL-13亦未检测到。

**3.4 Bio-Oss^?/Avitene^?生物材料促进患者骨再生**
对30例患者术后CBCT评估显示：支架平均尺寸为6.8 mm × 27.9 mm × 16.0 mm，平均体积1,793 mm³。术后早期支架相对透光，与颧骨紧密贴合，颗粒结构可辨；至12个月随访时，支架与骨界面无法区分，呈现与致密骨相似的放射密度，表明骨整合。三维重建显示支架位置稳定。临床评估表明支架提供显著美学效果（自然度和对称性），且无感染或移位。

**总结与讨论**
本研究证实Bio-Oss^?/Avitene^?复合支架通过调节BM-MSCs的免疫应答促进骨再生。体外结果显示：支架降低促炎细胞因子IL-6（mRNA和蛋白）和MCP-1的释放，同时升高抗炎细胞因子IL-4、促血管生成因子VEGF、趋化因子IL-8以及促进骨再生的G-CSF。IL-6的降低有利于成骨（因IL-6抑制成骨标志物RUNX2、OSX、OCN），IL-8升高可能通过CXCR2/PI3k/Akt通路促进BM-MSCs迁移和成骨，VEGF升高促进血管新生和MSCs成骨分化，G-CSF刺激骨再生和祖细胞动员，IL-4促进巨噬细胞向抗炎M2表型极化。在临床患者中，CBCT显示支架与骨整合良好，体积稳定，美学效果显著。

**研究结论**
研究人员的结论指出：Bio-Oss^?/Avitene^?支架具有免疫调节潜力，能够引导抗炎、免疫介导的与组织再生相关的反应。该支架通过降低促炎活性、增强与干细胞募集和血管生成相关的生长因子水平，创造可控的免疫应答，支持愈合与再生，而非慢性炎症。在临床应用中，该骨替代物在天然度和对称性方面提供了显著的美学效果，且因骨整合而不会感染或移位。数据表明，该支架可有效用于正颌手术中颧骨增大的个性化治疗。