时相调控氧循环支架通过重编程免疫代谢促进骨再生

《Biomaterials》：A Chrono-Modulated Oxygen-Cycling Scaffold Reprograms Immunometabolism to Drive Bone Regeneration

　　**摘要：**骨再生由一种精密调控的氧气节律所主导，该节律协调着炎症、修复和重塑的顺序阶段。早期缺氧促进血管芽生成，而随后的再氧合则有利于血管成熟和骨基质沉积。在此，我们设计了一种近红外（NIR）响应的复合支架——UCNP–Cy/CA@CCB，该支架能够在体内实现阶段特异性氧气控制。我们制备了脱细胞、煅烧的牛松质骨（CCB）支架，随后用海藻酸钙对其进行涂覆，获得海藻酸钙涂覆的CCB（CA@CCB），从而提供具有骨传导性、模拟骨的支持结构。在该支架内嵌入了一个由上转换纳米颗粒（UCNP）赋能的青色细菌（Cy）模块，用于编程局部O₂动态。在早期阶段关闭NIR时，Cy呼吸消耗O₂以建立修复性缺氧窗口。在中期和晚期阶段，开启NIR激活Cy光合作用以按需释放O₂，使微环境从缺氧过渡到再氧合，稳定新生血管，并推进成骨作用。在大鼠关键尺寸缺损模型中，该支架与对照组相比，骨体积分数（BV/TV）提高了200%以上，并在第4周实现了早期桥接。通过实现在不同阶段的氧气控制，该平台为氧气相关疾病治疗提供了机制见解，并指导下一代氧气节律生物材料的设计。---**引言**骨再生遵循一种精密调控的氧气节律，其中氧张力的波动会编程免疫反应，从而协调修复的每个阶段[1]。受伤后，血肿形成启动炎症清创，并将缺损置于生理性缺氧阶段[2]。在此期间，对氧敏感的巨噬细胞利用缺氧作为信号加速坏死组织的清除，并触发炎症级联反应，为血管芽生成奠定基础[3]。随着愈合的进行，氧张力升高解决了早期的缺氧阶段，内皮细胞和骨祖细胞依次浸润，形成软组织继而硬骨痂[4]。氧气介导的新生微血管稳定化使基质沉积、矿化和骨小梁重塑得以进行，伴随着机械功能的逐步恢复[5]。然而，持续或慢性缺氧（>7天）已被证明会延迟组织修复[6]。此后，需要程序化的氧张力升高来驱动巨噬细胞极化向修复表型，并将其与内皮和成骨区室进行正向偶联[7]。随着修复的巩固，局部氧张力朝着生理稳态收敛，以适应不断变化的代谢和矿化需求[8]。因此，能够在多种愈合阶段动态、定量地重塑局部氧气微环境的工程策略既是骨再生中的重大科学目标，也是紧迫的临床需求[9]。主要策略分为两类：携带O₂的支架（OCS）和产生O₂的支架（OGS）[10]，每种都旨在调节O₂在空间和时间上的递送。OCS包括提高局部pO₂超越扩散限制的氧气递送水凝胶[11]，以及能够可逆释放O₂的血红蛋白基氧气载体[12]。然而，在氧化应激下，血红蛋白载体的O₂卸载控制会恶化，存在形成高铁血红蛋白和免疫原性副产物的风险[13]。过氧化物基OGS（例如，CaO₂、MgO₂）能产生O₂，但存在过度氧化和ROS积累的风险[14]。采用光合微藻（例如，蓝藻、Chlorella）的生物OGS被广泛认为是缓解组织缺氧的有效方法[15]。除微藻外，大多数平台仍以单调或突发式的轮廓递送氧气，尚未在体内实现可编程的[16]、阶段性氧气节律[17]。受藻类昼夜O₂节律的启发[18]，我们试图在骨缺损内模拟一种类似昼夜的氧气节律。在该系统中，上转换纳米颗粒（UCNPs）作为组织穿透的近红外（NIR）到可见光转换器，用于门控蓝藻的光合作用，从而通过NIR照射编码O₂脉冲频率和局部pO₂。尽管Cy表现出内在的昼夜氧气节律，但这些内源性波动本身无法与骨再生每个阶段的不同氧气需求精确对齐。因此，UCNPs被利用来构建一个体内的人工昼夜节律系统，方法是用载有UCNPs和工程化Cy的钙藻酸盐（CA）水凝胶涂覆脱细胞、煅烧的牛松质骨（CCB），从而获得UCNP-Cy/CA@CCB支架。CA水凝胶由于具有高光学透明度、良好的气体渗透性和优异的生物相容性，作为光合作用模块的封装和交换基质[19]。CCB提供卓越的骨传导性和血管再生潜力，因为它保留了相互连接的孔隙结构和羟基磷灰石矿物框架，为血管生成、成骨细胞迁移和新骨长入提供连续通道，优于致密陶瓷或具有均匀孔径的支架[20]。植入后，该支架首先维持短暂的缺氧阶段以启动血管生成，随后进行受控的O₂脉冲以维持血管成熟并促进基质沉积。通过体外NIR照射，可以实现穿过皮肤和软组织的非侵入性和精确时序的空间控制。通过偶联免疫、血管和成骨程序，UCNP-Cy/CA@CCB支架作为一个可编程的生物活性平台，克服了传统氧化的静态限制，并支持完全的骨再生。---**UCNP-Cy/CA@CCB支架的构建与表征**我们通过用嵌入UCNPs和工程化Cy的CA水凝胶涂覆脱细胞CCB，开发了一种可编程的、NIR响应的产氧支架（UCNP-Cy/CA@CCB）。重要的是，CA层是通过原位凝胶化过程形成的，而不是将预先凝胶化的、高粘度水凝胶机械地涂抹在CCB上。具体而言，首先将含有UCNPs和工程化青藻的低粘度藻酸盐前驱液沿外表面和可及区域进行分布。---**讨论**在骨组织内重新建立氧气节律类似于指挥一场无声的交响曲——每一个再生的音符都必须遵循氧气不可见的节奏。关键骨缺损是一个具有高社会和经济成本的未解决问题。当前的治疗方法（如自体移植或金属植入物）存在明显的局限性，包括血管生长不足和愈合部位氧合不良[25]。关键尺寸骨缺损仍然没有有效且成熟的解决方案。---**CRediT作者贡献声明**Jingtang Li： 可视化、验证、软件、资源、形式化分析。Zhichao Tan： 软件、资源、形式化分析。Kun Zhang： 写作–审阅与编辑、监督、项目管理、调查、概念化。Min Liu： 调查、形式化分析、数据整理。Shilang Xiong： 监督、项目管理、资金获取、概念化。Yinuo Zhang： 调查、形式化分析、数据整理。Jianguo Zhou： 监督、资金获取。Long Xiong：---**利益冲突**作者声明不存在利益冲突。---**数据可用性声明**支持本研究发现的数据可在合理请求下向通讯作者索取。---**竞争利益声明**作者声明不存在竞争经济利益。---**致谢**Min Liu、Yinuo Zhang、Jingyu Zhou和Haoyu Gong对本工作贡献相等。本工作由江西省自然科学基金（编号：20232BAB206036）、国家自然科学基金（编号：82160354）和江西研究生创新专项基金（编号：YC2025-B186）资助。---Min Liu | Yinuo Zhang | Jingyu Zhou | Haoyu Gong | Guowen Qian | Hanrui Xi | Jingtang Li | Zhichao Tan | Jianhua Zeng | Jianguo Zhou | Long Xiong | Kun Zhang | Shilang Xiong江西医学高等专科学校第二附属医院骨科，南昌大学，江西南昌 330006，中国