Advanced Science | 轻骨髓间充质干细胞中过度的线粒体分裂,从而促进骨质疏松性颌骨修复
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详细介绍
骨质疏松性颌骨缺损表现为骨骼愈合受损和新骨再生不足,这源于病理性骨质疏松微环境,慢性炎症和过量活性氧(ROS)积累损害骨髓来源间充质干细胞(BMSC)的功能。本研究发现骨质疏松型BMSC表现出骨源分化和迁移减少,伴有细胞内ROS升高,线粒体在功能和结构层面均有失调。针对这一病理生理,我们通过将锰掺杂的沸石吡啶醇酯框架-8纳米颗粒掺入明胶甲基丙烯基质,协同整合氧化还原调控与骨生成刺激,从而设计出局部注射的Mn-ZIF-8@GelMA水凝胶。Mn-ZIF-8@GelMA有效缓解氧化应激,改善线粒体功能,并增强骨质疏松性BMSCs的骨生成能力。从机制上看,Mn-ZIF-8@GelMA治疗可增加线粒体抗病毒信号蛋白(MAVS)表达,减少动力蛋白相关蛋白1(DRP1)磷酸化,并缓解线粒体过度裂变。线粒体破坏和MAVS敲低进一步表明,MAVS和DRP1可能参与Mn-ZIF-8@GelMA的线粒体重塑和骨生成效应。在体内,Mn-ZIF-8@GelMA显著促进骨质疏松小鼠的拔牙槽修复。本研究提出了一种Mn/Zn双金属有机骨架(MOF)集成的GelMA水凝胶用于骨质疏松性颌骨修复,并强调氧化还原介导线粒体调控内源性BMSCs,作为克服骨质疏松条件下骨骼再生受损的有前景策略。
该研究以题为“Mn/Zn Bimetallic MOF-Integrated Hydrogel Alleviates Excessive Mitochondrial Fission in BMSCs to Promote Osteoporotic Jawbone Repair”发表在Advanced Science上。
图1
OP-mBMSCS表现出成骨和迁移受损,伴有氧化应激和线粒体功能障碍。(A)代表性光学图像,展示mBMSC(每组n=3)的成骨和脂肪形成分化能力。尺度条:500微米。(B) 成骨相关基因(alpl、runx2、bmp2、col1a1)的相对mRNA表达水平(每组n=3)。(C)对BMP-2蛋白表达进行西方印迹法及灰值定量分析(每组n=3)。(D) 划伤测定的代表性光学图像,展示了mBMSC在抓挠后0小时和48小时的迁移能力,并定量分析伤口闭合率(每组n = 3)。比例尺:500微米。(E) ATP产量的定量分析,归一化至总蛋白含量(每组n = 3)。(F)抗氧化相关基因nrf2和sirt1的相对mRNA表达水平(每组n=3)。(G)由DCFH-DA检测到的细胞内ROS代表性荧光图像及定量分析(每组n=3)。比例尺:200微米(H)线粒体ROS的代表性荧光图像,通过MitoSOX和定量分析(每组n=3张)检测到。比例尺:500微米。(I) 代表性TEM图像,展示线粒体超微结构及线粒体纵横比的定量分析。比例尺:2微米(J)线粒体网络的代表性共聚焦显微镜图像。比例条:10微米。放大区域突出线粒体形态的详细变化。线粒体数量、平均分支长度、分支数和线粒体足迹面积的定量分析显示,OP-mBMSCS的线粒体网络显著受损(每组n=3个)。(K)示意图,总结OP-mBMSCs中ROS过量积累、线粒体功能障碍、线粒体动态障碍以及骨生成分化、迁移和ATP产生受损之间的关联。误差条表示平均值±标准差。p < 0.01,p < 0.001,p < 0.0001。
图2
Mn-ZIF-8和Mn-ZIF-8@GelMA的合成与表征。(A) 合成程序的示意图。(B)代表性扫描电子显微镜图像及ZIF-8和Mn-ZIF-8纳米颗粒的尺寸分布分析。比例条:500纳米。(C)透射电子显微镜成像,(D)Mn-ZIF-8纳米颗粒的EDS元素映射。比例条:500纳米。(E) XPS谱,展示Mn2p价态分布(Mn)2+以及明尼苏达州4+)在Mn-ZIF-8纳米颗粒中。(F)Mn-ZIF-8多酶样活性氧物质清除活性的示意图。(G) H2O2- 扫气活动和 (H) •O2−- ZIF-8和Mn-ZIF-8在指定浓度(每组n=3)下的清气活动。(I) 在用ZIF-8或Mn-ZIF-8处理后,芬顿-TMB反应系统的紫外-可见吸收光谱,反映•氧气清除活性(每组n=3)。(J) 显示GelMA和Mn-ZIF-8@GelMA水凝胶多孔微观结构的SEM图像。比例条:100微米(K)扫描电子显微镜图像及相应的EDS元素映射,展示了Mn-ZIF-8@GelMA中元素的均匀分布。比例条:100微米(长)XRD图案,确认ZIF-8、Mn-ZIF-8、GelMA和Mn-ZIF-8@GelMA的晶体结构。(M) CCK-8 显示了 Mn-ZIF-8@GelMA 水凝胶在24小时和72小时培养后不同浓度下的生物相容性(每组 n = 3)。(N) Mn-ZIF-8@GelMA水凝胶(L-凝胶、M-凝胶、H-凝胶)在21天内累计锰离子释放谱(每组n = 3个)。误差条表示平均±标准差。p < 0.05,p < 0.01,p < 0.001,p < 0.0001。
图2
Mn-ZIF-8和Mn-ZIF-8@GelMA的合成与表征。(A) 合成程序的示意图。(B)代表性扫描电子显微镜图像及ZIF-8和Mn-ZIF-8纳米颗粒的尺寸分布分析。比例条:500纳米。(C)透射电子显微镜成像,(D)Mn-ZIF-8纳米颗粒的EDS元素映射。比例条:500纳米。(E) XPS谱,展示Mn2p价态分布(Mn)2+以及明尼苏达州4+)在Mn-ZIF-8纳米颗粒中。(F)Mn-ZIF-8多酶样活性氧物质清除活性的示意图。(G) H2O2- 扫气活动和 (H) •O2−- ZIF-8和Mn-ZIF-8在指定浓度(每组n=3)下的清气活动。(I) 在用ZIF-8或Mn-ZIF-8处理后,芬顿-TMB反应系统的紫外-可见吸收光谱,反映•氧气清除活性(每组n=3)。(J) 显示GelMA和Mn-ZIF-8@GelMA水凝胶多孔微观结构的SEM图像。比例条:100微米(K)扫描电子显微镜图像及相应的EDS元素映射,展示了Mn-ZIF-8@GelMA中元素的均匀分布。比例条:100微米(长)XRD图案,确认ZIF-8、Mn-ZIF-8、GelMA和Mn-ZIF-8@GelMA的晶体结构。(M) CCK-8 显示了 Mn-ZIF-8@GelMA 水凝胶在24小时和72小时培养后不同浓度下的生物相容性(每组 n = 3)。(N) Mn-ZIF-8@GelMA水凝胶(L-凝胶、M-凝胶、H-凝胶)在21天内累计锰离子释放谱(每组n = 3个)。误差条表示平均±标准差。p < 0.05,p < 0.01,p < 0.001,p < 0.0001。
图4
Mn-ZIF-8@GelMA水凝胶促进OP-mBMSCs体外的骨源分化。(A)阿利扎林红S和油红O染色的代表性图像,显示矿化结节形成增强和脂滴积聚减少(每组n=3)。比例尺:500微米。(B) 对不同组(n=3)对不同组骨发生相关基因(alpl、runx2、bmp2和col1a1)进行定量实时PCR分析。(C)对BMP2蛋白表达进行西方印迹分析,内对照为GAPDH(每组n=3)。(D) 对OPN(绿色)、肌动蛋白细胞骨架(红色)和细胞核(DAPI,蓝色)进行免疫荧光染色,并合并图像并重建荧光强度图谱(每组n=3)。比例杆:50微米。误差条表示平均值±标准差。p < 0.05,p < 0.01,p < 0.001,p < 0.0001。
图5
Mn-ZIF-8@GelMA缓解氧化应激,并拯救OP-mBMSCs中的线粒体动态。(A) 不同组中DCFH-DA染色检测到的细胞内ROS水平的代表性荧光图像(每组n=3)。刻度条:500微米(B)JC-1染色显示线粒体膜电位,红色荧光表示J聚集体(正常电位),绿色荧光表示J-单体(去极化线粒体)(每组n=3)。比例杆:500微米。对应的荧光强度分布图如下所示。(C) OP-mBMSCs细胞内ATP含量,采用不同水凝胶培养(每组n=3)。(D) 每组线粒体动力学相关基因的相对mRNA表达水平,包括融合相关基因mfn1、mfn2和opa1,以及裂变相关基因dnm1l和fis1(每组n=3)。(E)通过共聚焦显微镜和线粒体数量、分支数、枝长和线粒体足迹(每组n=3)定量分析的线粒体形态。比例杆:10微米。误差条表示平均值±标准差。p < 0.05,p < 0.01,p < 0.001,p < 0.0001。
总结
参考文献:
DOI:10.1002/advs.78268
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