Local H? release remodels senescence microenvironment for improved repair of injured bone  

局部 H 2 釋放重塑衰老微環境，改善受損骨的修復

來源：Nature Communications，Published online: 27 November 2023  

 

摘要核心內容

 

本文提出一種局部緩釋氫氣（H?）策略，通過改造衰老微環境（SME）促進老年骨損傷修復。研究發現：  

H?的雙重作用：在衰老骨骼細胞中，持續H?供給可同時發揮抗炎和抗衰老效應。  

 

創新支架設計：開發了聚羥基脂肪酸酯（PHA）包裹硅化鈣納米顆粒（CSN）負載的中孔生物活性玻璃支架（CSN@PHA-MBG），實現高劑量H?緩釋（911 mL/g，持續7天）。  

 

機制闡明：H?通過重塑SME（巨噬細胞向抗炎表型極化、降低SASP因子分泌）增強內源性細胞招募與再生能力。  

 

動物驗證：在老年小鼠臨界尺寸骨缺損模型中，支架顯著促進骨再生。

 

研究目的

驗證持續H?供給對多種衰老細胞（BMSCs、巨噬細胞、骨細胞）的抗炎及抗衰老作用。  

 

開發一種能局部緩釋高劑量H?的生物支架，解決傳統給氫方式（富氫水/吸入）的局限性。  

 

探究H?支架重塑SME的機制（巨噬細胞極化、SASP調控）。  

 

評估支架在老年骨缺損模型中的促修復效果。

 

研究思路

體外驗證：分離老年小鼠骨骼細胞（BMSCs、巨噬細胞、骨細胞），在60% H?培養箱中持續處理7天，檢測衰老標志物（ROS/p16/SA-β-gal）、炎癥因子（IL-6/IL-1β）及再生能力變化。  

 

支架構建：  

 

合成CaSi?納米顆粒（CSN）作為高產能氫前藥（104.2 mg/g）。  

 

通過靜電噴涂將PHA包裹的CSN負載于中孔生物活性玻璃（MBG），形成CSN@PHA-MBG支架。  

支架表征：測試H?釋放曲線、生物相容性及降解特性。  

 

體內驗證：建立24月齡小鼠股骨缺損模型，植入支架后分析：  

 

SME重塑：巨噬細胞極化（iNOS/Arg1）、SASP因子（IL-6/IL-1β）、衰老細胞清除（p16?）。  

 

再生效果：BMSCs招募（LepR?）、血管生成（CD31?Emcn?）、骨形成（鈣黃綠素/茜素紅標記）。  

機制整合：通過細胞因子陣列、流式細胞術、免疫熒光等多維度數據解析H?作用通路。

 

測量數據、研究意義及來源

細胞衰老與炎癥指標

 

數據來源：圖1  

 

研究意義：  

 

證實H?顯著降低衰老標志物（ROS↓52%、p16↓40%、SA-β-gal↓60%）和促炎因子（IL-6↓45%、IL-1β↓38%），為抗炎-抗衰老聯合機制提供依據。  

 

H?維持BMSCs成骨分化能力（Runx2↑3.2倍），逆轉衰老導致的再生功能障礙。

支架性能與H?釋放動力學

 

數據來源：圖2  

 

研究意義：  

 

丹麥Unisense微電極（50μm）精確監測顯示：CSN@PHA-MBG在PBS中緩釋H?達7天，體內釋放持續9天。  

 

緩釋特性覆蓋骨修復炎癥期與血管生成期，解決傳統給氫方式半衰期短（≤30分鐘）的瓶頸。

巨噬細胞極化與SASP調控

 

數據來源：圖3  

 

研究意義：  

 

支架植入后M2型巨噬細胞比例↑40%（對照組15%），促炎因子IL-6/IL-1β↓50%（圖3j, k）。  

 

證明H?通過重編程免疫微環境（M1→M2）抑制慢性炎癥。

內源性細胞招募與血管生成

 

數據來源：圖5  

 

研究意義：  

 

CSN@PHA-MBG組BMSCs招募量↑2.8倍（圖5f），衰老BMSCs比例↓70%（圖5h）。  

 

H?促進CD31?Emcn?型H血管生成（↑3.1倍），耦合骨祖細胞（Osterix?）激活（圖5j, k）。

骨再生效果

 

數據來源：圖6  

 

 

研究意義：  

 

微型同步輻射CT（SRμCT）顯示：支架組骨體積分數（BV/TV）↑2.5倍，骨小梁數量（Tb.N）↑2.1倍（圖6e, g）。  

 

動態骨標記證實礦化速率↑80%（圖6b），實現老年骨缺損高效再生。

 

丹麥Unisense微電極數據的核心意義

 

使用50μm Unisense微電極實時監測H?釋放動力學，發現：  

精準藥代動力學參數：  

 

體外PBS中H?釋放半衰期達96小時（圖2f），體內骨組織釋放持續9天（補充圖23），遠超富氫水（≤30分鐘）。  

 

機制關聯性驗證：  

 

緩釋曲線與巨噬細胞極化時間窗（3-7天）高度匹配（圖3），解釋為何短期給氫無效。  

治療優勢量化：  

 

局部H?濃度峰值達1.28 mM（相當于飽和溶解度的6倍），突破H?低溶解度的限制，為高效抗炎提供劑量基礎。

 

結論

H?的雙效機制：持續H?供給通過抑制ROS和SASP，同步實現抗炎（巨噬細胞M2極化）和抗衰老（p16?細胞清除）。  

 

支架創新性：CSN@PHA-MBG支架實現局部高劑量H?緩釋，突破傳統給氫方式的局限。  

 

微環境重塑：H?將SME從促炎狀態逆轉為促再生狀態，增強BMSCs招募/成骨分化能力。  

 

治療意義：支架使老年骨缺損再生效率↑2.5倍，為衰老相關組織修復提供新策略。