Biomaterials : 3D打印骨再生支架通过血管化治疗骨质疏松性骨缺陷来调节骨代谢稳态

骨骼的完整性取决于骨吸收和形成过程的有序结合，即骨代谢。骨代谢过程是持续性的，其动态平衡受破骨细胞和成骨细胞的“耦合协调”调节。在正常生理条件下，破骨细胞的前体细胞分化为破骨前细胞，然后与骨组织表面接触并融合。

破骨前细胞进一步分化为破骨细胞并进行骨吸收，直到骨吸收过程完全完成并形成骨陷阱。随后，破骨细胞迁移到其他部位。成骨细胞依次出现在骨阱表面，增殖、分化，最终形成覆盖骨阱的骨组织。这两个过程共同完成骨组织的吸收和形成，达到动态平衡。

当人体衰老时，各器官功能下降，导致骨代谢全身性失衡，即破骨细胞与成骨细胞耦合失衡。骨形成和骨吸收之间的动态平衡因此被颠覆，导致骨质流失和骨微观结构的恶化，从而导致全身性骨质疏松。

由于全球人口的老龄化，骨质疏松症正在成为世界范围内最普遍和最复杂的骨骼疾病之一。骨质疏松症患者因创伤、严重感染、肿瘤等引起的局部骨缺损，在临床实践中难以实现有效的骨再生，给临床治疗带来挑战。因此，重塑正常骨的局部代谢调节过程对于治疗骨质疏松性骨缺损实现骨再生至关重要。

图片来源：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122699

近日，来自重庆医科大学的研究者们在Biomaterials杂志上发表了题为“3D-printed bone regeneration scaffolds modulate bone metabolic homeostasis through vascularization for osteoporotic bone defects”的文章，该研究揭示了3d打印骨再生支架通过血管化治疗骨质疏松性骨缺陷来调节骨代谢稳态。

由于骨骼血管系统的退化和骨质疏松微环境中局部骨代谢的破坏，骨质疏松性骨缺损的治疗提出了一个挑战。然而，通过增强血管化来调节局部骨代谢失衡是可行的，这一理论被称为“血管化-骨代谢平衡”。

调节骨代谢平衡的3d打印PCL支架的构建

图片来源：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122699

本研究开发了以EPLQLKM和SVVYGLR肽(PCL- se)修饰的3d打印聚己内酯(PCL)支架。EPLQLKM肽吸引骨髓间充质干细胞(BMSCs)，而SVVYGLR肽增强内皮祖细胞(EPCs)血管分化，从而通过EPCs的旁分泌作用调节骨代谢并促进骨再生。进一步的机制研究表明，PCL-SE促进EPCs的血管化，激活骨髓间充质干细胞中的Notch信号通路，导致成骨相关基因上调，破骨细胞相关基因下调，从而恢复骨代谢平衡。

PCL-SE促进EPCs向“H”型血管的分化和BMSCs的募集，协同促进成骨，使骨质疏松性SD大鼠股骨髁骨缺损时正常微血管和骨组织再生。本研究提示PCL-SE支持原位血管形成，重塑骨代谢转化平衡，为治疗骨质疏松性骨缺损提供了一种有前景的治疗方案。

三维PCL支架的表征

图片来源：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122699

本研究的作者设计了肽功能化，修饰的3d打印PCL支架(PCL- se)。研究者通过S7和E7肽的协同作用募集并诱导EPCs的血管生成分化。EPCs的Notch1/4信号分子分泌旁分泌进一步激活骨髓间充质干细胞的成骨分化，间接抑制破骨细胞活性。“内皮-骨轴”有助于在骨质疏松性骨缺损的情况下实现血管化和骨代谢的调节，因此可以用来重塑骨组织的再生过程。这为治疗骨质疏松和骨缺损提供了新的思路。（生物谷 Bioon.com）

参考文献：

Caiping Yan et al. 3D-printed bone regeneration scaffolds modulate bone metabolic homeostasis through vascularization for osteoporotic bone defects. Biomaterials. 2024 Jul 6:311:122699. doi: 10.1016/j.biomaterials.2024.122699.