期刊：Cell Press Trends in Biotechnology

影响因子：14.3

2024年9月5日，深圳理工大学张鹏教授团队联合清华大学陈国强教授团队，以及北京大学口腔医院张旭助理教授团队在Cell Press出版社旗下期刊Trends in Biotechnology上在线发表题为“Metabolically activated energetic materials mediate cellular anabolism for bone regeneration”的研究成果。我司荣幸地承接了本研究中对于3HB处理后的hBMSCs细胞的转录组测序服务。

背景

骨骼缺损后，需要供体骨来修复缺损，但自体骨或异体骨在伦理方面存在一些争议，合成骨生物材料作为骨移植的替代品可以在一定程度上解决这些问题，但合成骨材料的作用机制尚不明确，还需要更多的优化和探索。

介绍

P（3HB-co-4HB）被认为是可生物降解支架的有潜力的候选者。作者前期的研究已经表明P（3HB-co-4HB）支架可以通过降解释放的3HB刺激体内成骨细胞的分化并促进骨缺损修复。然而，3HB 对成骨分化的影响及其与 P（3HB-co-4HB） 在细胞代谢中的作用以及其对骨形成或再生的关系仍然难以捉摸。

结果1

在这项研究中，作者首先对P（3HB-co-4HB）和商品化的PLLA进行对比，发现亲水性、可加工性、降解率、植入潜力等均无显著差别，展示了P（3HB-co-4HB）的实用性。为了评估P（3HB-co-4HB）支架的治疗潜力，使用大鼠颅骨缺损模型，植入发现P(3HB-co-4HB)支架组与仅缺损组和PLLA组相比表现出更好的骨再生，新生成的骨岛经历矿化、骨融合以及血管生成。免疫组化结果显示，成骨细胞的存在增加。以上结果引发作者的思考，可能P(3HB-co- 4hb)支架的降解导致3HB的产生，为血管骨再生创造一个有利的代谢微环境。

结果2

以细胞实验体外验证，证实了3HB的处理可增加hBMSCs 的增殖、成骨细胞分化和矿化程度。

结果3

转录组测序结果中的GO/KEGG富集分析发现，多数差异基因落在线粒体功能、能量代谢和细胞内信号转导相关的生物学过程。线粒体膜电位检测后发现3HB处理后的细胞红色荧光更多，说明线粒体膜电位3HB处理组高于其他组，能够有效进行能量转换。

结果4

为了验证ATP信号在3HB组观察到的成骨分化中的作用，测量了成骨标志物的表达水平，qPCR和WB检测结果均显示成骨标志物与TCA循环的关键酶的表达水平均提高。ATP检测试剂盒结果也显示ATP在3HB组展示出高水平。所以3HB处理会调控ATP合成代谢信号，增加ATP水平，会引发成骨分化。

结果5

依据背景知识，骨形成是一个代谢活跃的过程，由成骨细胞合成的柠檬酸盐是磷灰石纳米复合材料的重要组成部分，在生物矿化过程中起着关键作用。为了了解3HB诱导的代谢变化与成骨矿化之间的机制关系，使用共聚焦拉曼光谱(CRS)观察了在第14天进行成骨分化的hBMSCs中典型的磷灰石结节沉积，电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP)评估磷灰石结节中钙和磷的水平。结果显示，3HB组的磷灰石结节比对照组和LA组更为突出，细胞外基质的矿化和蛋白质基质中磷灰石的丰富定位。荧光测定试剂盒测量结果显示，3HB处理的分化hBMSCs的细胞外基质中有更多的柠檬酸盐沉积。

同时，靶向液相色谱-串联质谱技术也揭示了3HB组的中间代谢物，如柠檬酸盐、琥珀酸盐和l-苹果酸盐的水平显著增加，表明3HB通过调节中间代谢物诱导hBMSCs分化。

结果6

构建骨质疏松模型并尝试采用3HB进行恢复治疗，骨组织ct图像显示，3HB处理使骨质疏松大鼠胫骨区骨量增加，且治疗组骨矿物质密度（BMD）以及骨量与总体积之比（BV/TV）明显高于骨损模型组，表明3HB可能增强体内成骨细胞活性，且在3HB处理的大鼠中，我们发现钙黄蛋白和二甲酚的标记范围很广。

结论

从 P（3HB-co-4HB） 释放的 3HB 的内化调节 ATP 和柠檬酸盐合成的合成代谢状态，从而影响 hBMSCs 向成骨细胞的分化。P（3HB-co-4HB） 支架的植入显著增强了大鼠颅骨缺损模型中的长期血管化骨再生。此外，3HB 的给药显着增加了 OVX 诱导的骨质疏松症大鼠的骨量。这些结果支持 P（3HB-co-4HB） 支架作为代谢激活的高能材料 （MAM） 促进骨再生的假设。