晶能生物合作单位陕西第四军医大学唐都医院去年在《Bioactive Materials》上发表了题为「Dynamic degradation patterns of porous polycaprolactone/β-tricalcium phosphate composites orchestrate macrophage responses and immunoregulatory bone regeneration」的文章，探究生物可降解聚己内酯/β-磷酸三钙 (PT) 支架在降解过程中的物理化学和生物学性质的变化（客户文章|复合材料的动态降解模式协调巨噬细胞反应和免疫调节性骨再生）。今年，该团队再次发表文章 Electrical stimulation of piezoelectric BaTiO3 coated Ti6Al4V scaffolds promotes anti-inflammatory polarization of macrophages and bone repair via MAPK/JNK inhibition and OXPHOS activation，探究了极化 BT/Ti 支架压电刺激对巨噬细胞极化和免疫调节骨生成的影响。

晶能生物有幸为以上两篇文章提供 mRNA 测序服务。

下面就由小编和大家分享该文章

发表期刊：Biomaterials

影响因子：15.304

发表时间：2023.02

作者单位：陕西第四军医大学唐都医院

研究方法：mRNA-seq

DOI: 10.1016/j.biomaterials.2022.121990

文章概要

本研究通过体外和体内实验探究了极化 BT/Ti 支架压电刺激对巨噬细胞极化和免疫调节骨生成的影响，通过 RNA 测序和机制研究发现压电 BT/Ti（极化）支架抑制了炎症 MAPK/JNK 信号级联，并激活了巨噬细胞中的氧化磷酸化（OXPHOS）和 ATP 合成。这项研究为使用极化压电 BT/Ti 支架调节免疫微环境和促进骨再生提供了一种有前途的方法。

文章亮点

该研究提供了关于压电刺激对巨噬细胞反应和免疫调节性骨修复的影响和可能机制的进一步认知，并为压电矫形支架的临床研究和未来应用提供了有价值的指导。
 

技术路线

​

研究结果
 

1.  构建 BaTiO3 涂层多孔 Ti6Al4V（BT/Ti）支架

研究团队在三维打印的 Ti6Al4V 支架上，通过水热合成均匀的 BaTiO3 层制备了压电 BaTiO3/Ti6Al4V (BT/Ti) 支架，检测了支架的表征、压电性并证实支架具有较好的生物相容性。

2. 压电效应对巨噬细胞极化的影响

体外实验显示，极化的 BT/Ti 支架培养的巨噬细胞表现为细长和扁平的纺锤状细胞。免疫荧光染色结果证实，与所有其他组中的表达相比，BT/Ti（极化）动态组中 M1 标记 CD86 的表达下调，M2 标记 CD206 的表达上调。此外，在动态条件下，用 BT/Ti（极化）支架培养的巨噬细胞中 iNOS（M1 标记物）的表达受到抑制，精氨酸-1（Arg-1，M2 标记物）表达增强。这些现象说明极化的 BT/Ti 支架的压电效应促进巨噬细胞的 M2 极化。

体内实验中，通过对皮下植入的 Ti 或 BT/Ti 支架周围的组织进行 H&E 和免疫荧光染色，发现 BT/Ti（极化）支架减轻了炎症并减少了异物巨细胞（FBGC）的数量。通用（CD68）、M1（CCR7）和 M2（CD206）巨噬细胞标记物的三重免疫荧光染色表明，超声刺激降低了 BT/Ti（极化）支架中 M1 巨噬细胞的比例。与巨噬细胞的体外极化一致，在 BT/Ti（极化）组中观察到 CD206+M2 巨噬细胞的更高富集。

3. 压电 M2 巨噬细胞极化对成骨的影响

体外实验采用了在动态或静态条件下用 Ti 和 BT/Ti 支架培养的巨噬细胞上清液，用于培养 MC-3T3 成骨细胞前体细胞。结果显示，与 Ti 组相比，BT/Ti（极化）动态组中巨噬细胞条件培养基招募了更多的 MC-3T3 细胞，成骨分化明显促进。

前面的结果表明，压电 BT/Ti（极化）支架促进 M2 巨噬细胞极化和免疫调节性骨形成。

4. BT/Ti（极化）人工椎体对体内骨整合和骨再生的影响

通过对绵羊进行精细的整体脊椎切除手术，并将人造椎体植入缺损区，建立绵羊颈部整体对应切除模型，评估 BT/Ti（极化）支架在骨修复中的潜在应用（图 6A）。研究发现，相对于 Ti 支架阻碍了骨形成，BT/Ti（极化）椎体在植入后 6 个月和 12 个月与新的周围骨组织紧密结合且减轻了炎症反应。

 

5. 压电 BT/Ti（极化）支架对巨噬细胞反应影响的 RNA-seq 分析

为了研究 BT/Ti（极化）支架促进巨噬细胞的 M2 极化和免疫调节性骨形成这一现象的生物学机制，通过 RNA-seq 分析了在动态负载条件下用 Ti 与 BT/Ti（极化）支架培养的巨噬细胞中的基因表达。根据差异基因表达聚类热图和火山图，与 Ti 组相比，BT/Ti（极化）组中鉴定出 946 个上调基因和 1673 个下调基因。GO 和 KEGG 富集和上调基因的网络分析表明，电子运输链和氧化磷酸化途径的上调。在 BT/Ti（极化）组中，应激激活的 MAPK 级联、JNK 级联和细胞形态发生等途径显著下调。GO 和 KEGG 网络分析均显示信号转导和蛋白激酶活性紧密相连。这些功能注释表明，压电刺激通过抑制 MAPK 级联和上调 ATP 合成和氧化磷酸化促进巨噬细胞的 M2 极化。

 

6. 压电效应对炎症反应和氧化磷酸化的验证

基因集富集分析（GSEA）表明，相对于 Ti 对照组的表达，BT/Ti（极化）组中与炎症反应和糖酵解相关的基因表达减少，而与氧化磷酸化相关的表达增加。通过检测对比相关通路的蛋白表达、线粒体质量、基础呼吸和 ATP 生成、葡萄糖消耗和乳酸产量等，证实了 BT/Ti(极性) 支架的压电性抑制了 MAPK/JNK 信号通路，激活了巨噬细胞的氧化磷酸化和 ATP 合成。

总结

本研究中证明了压电 BaTiO3/Ti6Al4V 支架的局部电刺激显著促进了体外 MC-3T3 成骨细胞的 M2 巨噬细胞极化和免疫调节成骨。绵羊颈椎骨修复的结果进一步表明，压电 BT/Ti（极化）人工椎体促进巨噬细胞 M2 极化和骨再生。机制研究表明，BT/Ti（极化）支架的压电特性抑制 MAPK/JNK 信号通路，并激活巨噬细胞中的氧化磷酸化和 ATP 合成。因此，本研究结果提供了压电刺激免疫调节性骨修复的可能机制，并为压电矫形支架的未来应用提供了有价值的指导。