AFM|3D打印的酶功能化支架可促進糖尿病骨再生

來源：上普生物

近期，深圳大學(xué)黃鵬教授團隊與上海九院Wang Xiansong教授團隊在Advanced Fucntional Materials上發(fā)表題為“3D Printed Enzyme‐Functionalized Scaffold Facilitates Diabetic Bone Regeneration”的文章。

摘要：糖尿�。―M）患者遭受骨折的風(fēng)險很高，并且骨愈合能力差。在臨床上沒有有效的療法可用于治療糖尿病性骨缺損。本文提出了一種3D打印的酶功能化支架，該支架具有多種生物活性，包括在糖尿病情況下的成骨作用，血管生成和抗炎作用。所準(zhǔn)備的多功能支架由藻酸鹽，葡萄糖氧化酶（GOx）和過氧化氫酶輔助的生物礦化磷酸鈣納米片（CaP @ CAT NSs）組成。支架內(nèi)的GOx可以通過將葡萄糖和氧氣催化為葡萄糖酸和過氧化氫（H 2 O 2）來緩解高血糖環(huán)境。兩者都產(chǎn)生H 2 O 2CaP @ CAT NSs可以清除DM中過量產(chǎn)生的H 2 O 2，而引發(fā)的低氧微環(huán)境則刺激新生血管形成。此外，CaP @ CAT NSs的摻入不僅增強了支架的機械性能，而且還通過降解的Ca 2+和PO 4 3-離子促進了骨再生。出色的體外和體內(nèi)結(jié)果表明，酶功能化支架可以成為增強糖尿病條件下骨組織再生的有效策略，從而增強了多功能支架在糖尿病性骨再生中的潛力。

納米結(jié)構(gòu)的CaP由于其天然的類骨成分，高的比表面積，可控制的生物降解性和藥物負載能力而被廣泛用于骨組織再生。但是，制備方法需要嚴(yán)格的條件或引入有毒物質(zhì)。相反，仿生礦化方法可以提供一種溫和而“綠色”的過程，以借助生物分子直接合成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)CaP。在這項研究中，CAT被用作生物分子，并使用改良的生物礦化方法。成功制造了CaP @ CAT雜化物，該雜物被批準(zhǔn)為具有納米片形態(tài)的透鈣磷石相，而純CaP是具有微尺度的片狀。值得注意的是，CaP @ CAT NSs擁有H 2 O 2。清除能力并降低RAW 264.7巨噬細胞的炎性基因表達（TNF-α，IL-1β），表明CaP @ CAT NSs可以用作抗氧化劑來治療糖尿病條件下產(chǎn)生的ROS。此外，在3D打印的Alg支架中引入CaP MS和CaP @ CAT NSs顯著增強了支架的機械性能，特別是對于3D打印的Alg / CaP @ CAT支架，與純的支架相比，其抗壓強度提高了1.53倍Alg支架。盡管3D打印的Alg / CaP @ CAT支架顯示出均勻的大孔結(jié)構(gòu)，高機械性能和H 2 O 2 清除活性使它們成為用于糖尿病骨再生的最先進的多功能支架，在糖尿病缺損區(qū)域中持續(xù)的高血糖環(huán)境更加令人關(guān)注。

DM患者患有胰島素功能不全/抵抗，并以高血糖為特征。高血糖環(huán)境以多種方式顯著影響骨相關(guān)細胞。據(jù)報道，高濃度的葡萄糖會抑制成骨細胞的增殖和分化，降低骨髓間充質(zhì)干細胞的成骨潛能，和脂肪組織衍生的間質(zhì)干細胞。因此，降低糖尿病性骨缺損中的葡萄糖濃度將對骨再生非常有益。為了降低糖尿病性骨缺損中的血糖水平，本研究應(yīng)用了GOx，它可以特異性和有效地進行葡萄糖的催化氧化。通過簡單地將GOx固定在Alg水凝膠中，制備了Alg / GOx / CaP @ CAT支架。觀察到葡萄糖持續(xù)下降，這進一步促進了rBMSC的增殖和成骨分化。值得一提的是，GOx和CAT的級聯(lián)反應(yīng)不僅可以加速葡萄糖的消耗，而且可以將H 2 O 2抑制在安全范圍內(nèi)（小于30 μm）。

除了成骨作用，血管化在骨重建過程中也起著關(guān)鍵作用。先前的研究表明，具有血管生成活性的支架可以刺激缺損部位更多的骨形成。已經(jīng)探索了各種方法，例如加載血管生成劑或創(chuàng)建血管化的微管。另一種簡單的血管化策略是構(gòu)建低氧微環(huán)境，該環(huán)境能夠激活HIF-1α并刺激血管化。本研究表明，級聯(lián)反應(yīng)可以使O 2持續(xù)消耗導(dǎo)致無需添加其他藥物即可直接在糖尿病性骨缺損中產(chǎn)生低氧微環(huán)境。在3D打印的Alg / GOx / CaP @ CAT支架上，HUVEC的血管生成基因（CD31，VEGF，HIF-1α，BFGF）表達明顯上調(diào)，證實了3D打印的Alg / GOx / CaP @ CAT支架非常適合DM條件下的血管化骨再生。

為了進一步評估DM條件下3D打印的Alg / GOx / CaP @ CAT支架的體內(nèi)骨骼再生。由于T2DM占了DM病例的90％以上，因此建立了T2DM中的大鼠顱骨骨缺損模型。如預(yù)期的那樣，結(jié)果顯示，與其他支架相比，Alg / GOx / CaP @ CAT支架中有更多的新骨形成，并且具有更好的成骨性，血管生成和抗炎生物活性。因此，通過將酶誘導(dǎo)的級聯(lián)反應(yīng)與3D打印的骨組織工程支架相結(jié)合，開發(fā)了一種具有增強治療功效的多功能支架，專門用于糖尿病骨再生。

△打印支架各種性能表征

△免疫熒光分析

△體內(nèi)動物實驗

參考文獻
3D Printed Enzyme‐Functionalized Scaffold Facilitates Diabetic Bone Regeneration[J]. Advanced Functional Materials, 2021.

https://doi.org/10.1002/adfm.202101372