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糖尿病骨质疏松性骨折（DOF）治疗需促进血管化骨再生。本研究开发Zn-NGR1生物可降解多孔支架，通过调控SDF-1/CXCR4信号轴显著加速糖尿病骨质疏松性大鼠骨折愈合，提升骨体积20%，并增强血管生成和机械强度。
Kangling Xie|Yuan Lin|Chuyan Yang|Mingchun Zhao|Xiangying Deng|Wei Du|Nan Jia|Manyuan Wu|Cui Li|Yangjie Li|Jiahao Li|Yujiao Zong|Fan Hu|Ying Cai
中南大学湘雅医院国家老年疾病临床研究中心康复科，中国湖南长沙410008
摘要
有效治疗糖尿病性骨质疏松性骨折（DOF）需要能够促进血管化骨再生的生物材料。本文采用粉末冶金和浸渍技术，开发了一种可降解的多孔锌（Zn）支架，该支架含有缓释型五加苷R1（NGR1），简称Zn-NGR1。通过扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、X射线衍射（XRD）和高性能液相色谱（HPLC）等综合表征方法，证实了该支架的形态、成分以及可控的NGR1释放特性。在链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病模型和卵巢切除（OVX）大鼠模型中，Zn-NGR1植入显著加速了骨折愈合，表现为苏木精-伊红（H&E）染色、Masson三色染色以及分化簇31（CD31）和血管内皮生长因子（VEGF）的免疫组化/免疫荧光（IHC/IF）分析结果，同时提高了三点弯曲测试中的机械强度。与对照组相比，骨体积分数（BV/TV）增加了20%。转录组分析（RNA测序，RNA-seq）结合网络药理学和机器学习分析表明，基质细胞衍生因子1（SDF-1）/C-X-C趋化因子受体4型（CXCR4）信号通路是NGR1激活的主要途径。体外实验中，Zn-NGR1显著增强了骨髓间充质干细胞（BMSC）和人脐静脉内皮细胞（HUVEC）的增殖和迁移，促进了成骨分化，并通过SDF-1/CXCR4上调途径刺激了血管生成，这一结果通过实时定量聚合酶链反应（RT-qPCR）和Western blot分析得到验证。体内验证表明，Zn-NGR1通过激活SDF-1/CXCR4通路来促进糖尿病性骨折愈合，从而促进成骨和血管生成。这些发现表明，Zn-NGR1支架通过靶向调节SDF-1/CXCR4通路，为改善DOF修复提供了一种有前景的生物材料策略。
引言
糖尿病常会破坏成骨细胞的功能，抑制骨骼形成，导致骨质疏松。糖尿病性骨质疏松性骨折（DOF）严重损害患者的生活质量[1]。临床数据显示，糖尿病患者骨折愈合明显延迟，复发率和并发症发生率也更高[2]。这些情况带来了重大的临床挑战，尤其是在传统治疗方法因骨折愈合机制受损而无法达到预期效果时[3]。糖尿病骨折愈合过程中观察到的长期炎症反应和骨骼形成及重塑的抑制，凸显了探索新治疗策略的紧迫性[4],[5],[6]。
目前，DOF的治疗主要依赖于药物治疗、物理治疗和外科干预[7],[8]。尽管这些方法在一定程度上可以促进骨折愈合，但由于药物相关副作用和个体差异，其整体效果仍然有限[9]。直接针对骨折修复关键生物过程的有效策略仍然缺乏，特别是在促进血管生成和骨组织再生方面，现有疗法未能完全满足临床需求[10],[11],[12]。因此，开发能够在分子水平上调节骨折修复的新生物材料已成为骨科研究的主要焦点[13],[14]。
近年来，在应用生物材料进行骨骼修复方面取得了显著进展。多孔锌（Zn）支架因其优异的生物相容性和生物活性而受到关注，它们能有效支持骨骼生长和再生[15],[16]。锌（Zn）是一种必需的微量元素，在骨骼代谢中起着关键作用[17],[18]。Zn支架的可控降解能够逐渐释放锌离子，提供机械稳定性，同时刺激周围骨组织的生长和修复[19],[20]。此外，五加苷R1（NGR1）这种天然提取物表现出强烈的血管生成和抗炎活性，显示出其潜在的医学应用前景[21]。
尽管多孔Zn支架和NGR1在骨折治疗中各自展现了良好的应用前景，但迄今为止尚未有研究结合它们的优势来改善糖尿病患者的骨质疏松性骨折修复。本研究首次尝试将NGR1与多孔Zn支架结合，以促进DOF修复。该策略利用NGR1激活基质细胞衍生因子1（SDF-1）/C-X-C趋化因子受体4型（CXCR4）信号通路的能力，这是血管生成和骨再生的关键调节因子。通过这种机制，结合的Zn-NGR1系统有望加速骨折愈合并改善糖尿病引起的骨质疏松症患者的骨骼质量。通过结合Zn支架的成骨和血管生成特性与NGR1的生物活性功能，本研究旨在解决糖尿病骨折修复中的关键生物学障碍，并推动下一代生物材料在临床应用中的发展。
本研究的主要目标是评估含有NGR1（Zn-NGR1）的多孔Zn基支架在糖尿病性骨质疏松性骨折愈合中的治疗效果及其潜在机制。工作假设认为，Zn-NGR1激活SDF-1/CXCR4信号通路将促进骨折部位的血管生成和骨组织再生，从而加速整体愈合。这一方法的科学意义在于，它有望为DOF建立新的治疗范式，改善患者康复和生活质量。此外，本研究还旨在阐明SDF-1/CXCR4通路在骨折修复中的作用，为未来靶向药物和先进生物材料治疗的设计提供理论基础。
动物研究伦理声明
所有动物实验均遵循国家实验室动物护理和使用指南，并获得了机构动物护理和使用委员会（IACUC）的批准。实验所用雄性Sprague-Dawley大鼠（8周龄）购自Charles River Laboratories（美国），在无特定病原体（SPF）条件下饲养，环境温度为22 ± 2 °C，相对湿度为55 ± 10%，光照/黑暗周期为12小时，食物和水可自由获取。所有实验设计均遵循3R原则（替代、
成功制备和表征缓释型Zn-NGR1
采用粉末冶金方法制备了多孔Zn基支架，并成功将NGR1负载到支架上，如图1A所示。SEM分析显示支架具有均匀的多孔结构，孔径范围为50至100 μm，平均孔径为78 ± 10 μm（图1B）。EDS光谱确认了Zn在1.01 keV和8.64 keV处的峰值，同时检测到碳（C：0.277 keV）和氧（O：0.525 keV）的额外峰值
讨论
糖尿病患者的慢性高血糖常会损害骨骼代谢，导致骨质疏松和骨折愈合能力下降[39]。骨折愈合是一个复杂的、高度协调的过程，涉及多种细胞和分子事件。在众多参与的细胞类型中，巨噬细胞已成为骨骼修复的关键调节因子。作为免疫细胞，巨噬细胞在协调免疫反应、组织重塑、血管生成以及与其他细胞的相互作用中起着关键作用
结论
成功开发了一种可降解的Zn-NGR1支架，该支架能够激活SDF-1/CXCR4通路，从而促进细胞增殖、迁移、成骨分化和血管生成，加速糖尿病性骨质疏松大鼠的骨折愈合。结果表明，Zn-NGR1通过激活SDF-1/CXCR4信号通路显著增强了这些细胞过程。体内分析进一步证实，骨折愈合和血管生成得到了显著改善
CRediT作者贡献声明
Ying Cai： 数据分析、概念构思。Chuyan Yang： 资源获取、项目管理、方法学设计。Mingchun Zhao： 监督、软件使用、资源协调。Xiangying Deng： 初稿撰写、数据验证、监督。Yangjie Li： 监督、软件使用、资源协调。Jiahao Li： 初稿撰写、数据可视化、结果验证。Yujiao Zong： 文章修订与编辑、数据管理、概念构思。Kangling Xie： 方法学设计、实验设计、资金申请。Fan Hu：
伦理声明
实验程序和动物使用计划已获得我们机构伦理委员会的批准（批准编号：CSU-2022-0429）。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
数据可用性
本研究生成或分析的所有数据均包含在本文及其补充材料文件中。如有进一步咨询，请联系通讯作者。
资助
本研究得到了湖南省重点研发计划（2020SK2069）、湖南省自然科学基金企业联合基金（2024JJ9100）和中国博士后科学基金（2023M743959）的资助。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
无。
