編者按
眾所周知，骨骼在支撐、保護和調節重要生理過程等方面發揮著關鍵作用。生活中，因骨折、骨質疏松等疾病導致的骨缺損日益增多。傳統的治療方法，如自體骨移植，往往伴隨著二次創傷、供體不足、并發癥多、免疫排斥反應等風險。能否開發出一種既能促進骨骼生長，又能“主動”刺激身體自身修復能力的智能材料？這成為了組織工程領域的研究熱點。
本期我們分享國防科技大學柳瓏研究團隊在權威期刊Chemical Engineering Journal（IF=13.2）上發表的一項最新研究成果。該研究開發了一種新型的用于骨缺損修復的核殼納米纖維支架——IGF@C?N?(P)/NGF@SF復合支架。通過體外和體內實驗證實，該支架通過激活Erk1/2/mTOR ->Runx2 通路實現成骨，且能修復臨界尺寸骨缺損，并顯著促進神經發生和神經元形成，該支架有望成為一種有前景的骨缺損修復材料。
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01 研究亮點
采用共軸靜電紡絲技術，首次構建了具有核殼結構的納米纖維支架——紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF核心-殼納米纖維支架，并引入磷摻雜石墨相氮化碳(C?N?(P))作為光電轉換材料，可在紅光照射下產生光電流，增強細胞響應；
首次在大鼠顱骨缺損區域的哈弗斯管中觀察到新生神經元，證實了神經發生與成骨的密切聯系，揭示了該納米纖維支架能促進骨形成與神經發生，實現骨與神經的協同修復；
揭示了紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF通過激活Erk1/2–Runx2–mTOR信號通路，來促進骨髓基質干細胞（BMSCs）成骨分化，并證實了神經發生相關通路在成骨過程中的激活。
圖形摘要
02 主要研究成果
1. 新型支架的制備與表征
研究人員利用共軸靜電紡絲技術，開發了一種具有核心-殼結構的復合納米纖維支架——IGF@C?N?(P)/NGF@SF復合支架。其核心由含有胰島素樣生長因子(IGF)的磷摻雜的石墨相氮化碳（C?N?(P)）構成，C?N?是一種神奇的光電材料，而磷摻雜則能優化其性能；其殼層由含有神經生長因子(NGF)的天然生物蛋白——絲素蛋白（SF） 構成。
圖1
2. 體外實驗驗證納米纖維支架對成骨行為的影響及其機制探究
隨后，為了確認骨髓基質干細胞（BMSCs）在納米纖維支架上的生長狀態，研究人員通過細胞增殖(CCK-8)檢測發現，第5天時，紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF組可以顯著促進BMSCs增殖。因此，紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF支架對促進BMSCs增殖效果持續時間最長，且效果最為明顯。
ALP是成骨細胞分化的早期標志物之一，ALP活性可以直接反映成骨細胞的礦化能力。實驗結果顯示，紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF組中，BMSCs的ALP活性在第3天達到最高，隨后在第6-9天出現顯著下降，這表明BMSCs在第6-9天已進入分化中期和后期階段。因此，紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF可以顯著促進BMSCs的ALP活性表達。
在培養BMSCs并使用礦化介質進行14天后，在BMSCs中觀察到礦化結節，這表明這些支架具有良好的誘導礦化的能力。紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF組的礦化結節數量、體積、密度均最高?？傊t光+IGF@C3N4(P)/NGF@SF支架可以顯著加速BMSCs的成骨過程。
圖2
研究人員進一步探究了納米纖維支架對成骨行為的影響機制，發現紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF組顯著上調p-Erk1/2和p-mTOR的磷酸化水平，通過激活Erk1/2–Runx2–mTOR通路，使成骨關鍵轉錄因子Runx2活性增強，進一步促進下游成骨基因表達。
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圖3
3. 體外實驗驗證納米纖維支架對神經發生的影響
為了探究納米纖維支架對神經分化的影響，研究人員在骨髓基質干細胞（BMSCs）誘導的神經干細胞樣細胞中檢測了神經發生過程，免疫熒光染色結果顯示，腫瘤標記物NSE(神經元特異性烯醇化酶)表達升高，細胞形態呈神經元樣，有長軸突，且紅光下軸突更長。這表明，IGF@C?N?(P)/NGF@SF支架促進BMSCs神經分化，紅光進一步增強神經元特征。隨后，研究人員發現神經元標記物β-Tubulin Ⅲ、NSE在紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF組表達上調。
這些結果表明，在+IGF@C?N?(P)/NGF@SF支架上培養的由BMSCs誘導的神經分化細胞能夠分化成神經元，可以恢復與骨損傷相關的神經損傷，進而促進骨修復的速度和效果，紅光激活并增強了這一過程。
圖4
4. 體內實驗揭示納米纖維支架對成骨的影響
研究人員構建了大鼠顱骨缺損模型來評估骨再生情況，實驗結果顯示，紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF組的新骨體積分數和骨小梁數最高，這表明該支架顯著促進新骨形成，骨缺損區域修復良好，骨小梁從邊緣向中心生長。組織學染色結果顯示，紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF組的骨小梁形成更多，膠原纖維更豐富。
免疫組化顯示，骨形態發生蛋白2(BMP-2)和NSE(神經元特異性烯醇化酶)在新生骨區和哈弗斯管中高表達，這證實了成骨與神經發生共存。因此，紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF支架不僅促進成骨與神經再生，而且在骨缺損修復過程中，能促進神經分化條件下的骨形成，新生成的神經元可能位于骨髓腔內。
圖5
5. 轉錄組分析揭示神經發生條件下骨生成機制
接著，研究人員通過RNA測序檢測了mRNA水平的變化，并比較了不同支架處理下 BMSCS(共培養于神經分化細胞旁)的基因表達譜，結果顯示，在紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF支架上培養的BMSCs中，差異基因表達最多，達到了5.79%。
基因集富集分析(GSEA)顯示，紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF支架上培養的BMSCs在中樞神經系統信號通路中的神經活性配體-受體相互作用、神經遞質受體活性、軸突髓鞘化等通路表達上調的基因明顯增強，這證實了神經發生相關通路在成骨過程中的激活。RNA-Seq分析顯示，神經發生相關基因與成骨過程密切相關，支持“神經-骨耦合修復”機制。
這些結果表明，紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF支架可能激發神經發生對成骨過程的影響，從而促進骨缺損修復。
圖6
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03 編者點評
本研究首次開發了一種集光電材料、生長因子緩釋、紅光刺激于一體的多功能納米纖維支架——紅光+IGF@C?N?(P)/NGF@SF支架，不僅在材料設計和制備方法上具有創新性，更為骨-神經協同修復提供了新的治療策略和理論依據，展現出在骨組織工程中的廣闊應用前景。
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參考文獻：
Xiaoyan Wang ,Kai Jiang,Long Liu et al. Accelerated bone defect repairment by carbon nitride photoelectric conversion material in core–shell nanofibrous depended on neurogenesis. Chemical Engineering Journal.2023. DOI: 10.1016/j.cej.2023.147360