基于CXCR4修饰外泌体靶向递送谷胱甘肽通过逆转年龄相关GSS表观遗传抑制治疗骨质疏松的研究

《Bioactive Materials》：Age-related GSS promoter methylation in BMSCs drives osteoporosis and the reversal by targeted GSH delivery

本研究针对老年性骨质疏松中骨髓微环境氧化还原失衡的难题，创新性地发现衰老骨髓间充质干细胞中谷胱甘肽合成酶（GSS）表达受DNA高甲基化调控的关键机制。研究团队成功构建了CXCR4修饰的工程化外泌体（EVCXCR4+GSH），实现谷胱甘肽（GSH）的骨靶向递送，有效清除活性氧（ROS）、改善线粒体功能、延缓细胞衰老，显著促进老年小鼠骨形成。该研究为骨质疏松的靶向治疗提供了新材料和新策略。

随着年龄增长，骨骼会像失去水分的枯木一样变得脆弱易折，这背后隐藏着怎样的生物学秘密？第四军医大学西京医院骨科团队在《Bioactive Materials》发表的最新研究，揭开了老年性骨质疏松的新机制——衰老骨髓微环境中存在一种关键的"抗氧化防御系统失灵"现象。

研究人员发现，老年骨骼中的骨髓间充质干细胞（BMSCs）合成谷胱甘肽（GSH）的能力显著下降，而GSH是细胞内最重要的抗氧化剂之一。深入探究发现，这种缺陷并非由于原料不足，而是因为合成GSH的关键酶——谷胱甘肽合成酶（GSS）的表达受到了抑制。表观遗传学分析显示，GSS基因启动子区域在老年骨骼中呈现高甲基化状态，如同被"锁住了开关"，导致其转录水平大幅降低。

为了突破这一瓶颈，研究团队设计了一种智能递药系统：通过基因工程技术在BMSCs来源的外泌体表面表达CXCR4蛋白，构建具有骨靶向能力的工程化外泌体（EV^CXCR4），然后利用电穿孔技术将GSH高效装载其中，形成EV^CXCR4+GSH复合物。这种设计巧妙地利用了骨骼微环境中高表达的基质细胞衍生因子-1（SDF-1）与CXCR4的亲和性，实现了药物在骨组织的特异性富集。

关键技术方法包括：通过电穿孔优化GSH装载工艺并添加NaHS减少氧化；采用纳米颗粒跟踪分析和透射电镜表征外泌体特性；利用体外细胞实验和老年小鼠模型评估治疗效果；通过Micro-CT、组织染色和分子生物学技术分析骨微结构和细胞功能变化。

研究结果方面：

3.1. 年轻和老年小鼠中Cys和GSH的差异效应：研究发现老年小鼠骨组织中GSH水平显著降低，且半胱氨酸（Cys）补充不能有效提升GSH水平，而直接补充GSH则可显著改善氧化应激状态。

3.2. 老年小鼠骨组织中GSS表达降低损害GSH合成：代谢组学分析显示老年骨组织存在明显的氧化还原失衡，GSS表达在蛋白和mRNA水平均显著下调。

3.3. 老年BMSCs中GSS表达降低归因于DNA甲基化增加：甲基化测序发现GSS启动子区域在老年骨组织中呈现高甲基化状态，且TET1介导的主动去甲基化能力随年龄增长而下降。

3.4. 敲低或过表达Gss调节BMSCs的抗氧化能力、线粒体功能、衰老和成骨分化：功能实验证实调控GSS表达可直接影响BMSCs的氧化应激水平、线粒体功能、衰老状态和成骨分化能力。

3.5. EV^CXCR4的制备、表征和骨靶向评估：成功构建的EV^CXCR4在外泌体表面高效表达CXCR4蛋白，体内外实验均证实其具有优异的骨靶向能力。

3.6. EV^CXCR4+GSH的制备和表征：优化后的装载工艺使GSH封装效率达72.33%，且制剂在体内表现出良好的稳定性和长循环特性。

3.7. EV^CXCR4+GSH的安全性评价：系统性评估证实该递送系统具有良好的生物相容性和安全性。

3.8. EV^CXCR4+GSH在老年骨组织中抑制氧化应激、改善线粒体功能、延缓衰老和减少骨丢失：治疗组老年小鼠骨组织中ROS水平显著降低，线粒体功能改善，衰老标志物表达下降，微CT显示骨密度、骨小梁数量等参数明显改善。

研究结论表明，年龄相关的GSS表观遗传沉默是导致老年骨组织氧化还原失衡的重要机制。基于此机制开发的EV^CXCR4+GSH靶向递送系统，能够有效突破老年骨微环境中GSH合成障碍，通过清除ROS、改善线粒体功能、延缓细胞衰老，显著改善老年性骨质疏松。该研究不仅揭示了骨质疏松发病的新机制，还为开发针对老年性骨代谢疾病的靶向治疗策略提供了创新思路和方法。