《Bioactive Materials》：Cholesterol-driven mitochondrial rejuvenation by quercetin nanotherapeutics restores implant osseointegration in diabetes
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糖尿病显著削弱种植体骨整合，其核心病理机制在于骨髓间充质干细胞（BMSCs）的线粒体功能障碍，然而有效的靶向线粒体重塑疗法仍然缺乏。为此，研究者开发了Qe@TNS功能涂层作为槲皮素的局部递送平台。研究表明，高糖诱导的氧化损伤破坏了BMSCs的胆固醇代谢，导致脂筏功能失活，进而损害线粒体质量控制的“开关关断”。Qe@TNS通过“开关开启”机制逆转了这一过程：释放的槲皮素恢复胆固醇内流，促进脂筏向功能性相变，并激活清道夫受体B类I型抗氧化单元。同时，Qe@TNS抑制了线粒体琥珀酸盐/HIF-1α/IL-1β促炎轴。通过协同应对氧化应激与炎症，Qe@TNS有效重塑了线粒体功能并增强了成骨能力，为恢复糖尿病患者的种植体骨整合提供了一种新型纳米治疗策略。
对于糖尿病患者的牙科或骨科医生来说，看着手术植入的钛钉或牙根在X光片上迟迟不能与骨头“长”在一起，可能是一件令人头疼又无奈的事情。糖尿病，这个看似与骨头“风马牛不相及”的代谢性疾病，却是种植体手术成功路上的“绊脚石”。即使患者血糖控制得不错，植入物周围的局部微环境依然“危机四伏”：慢性高血糖会引发线粒体（细胞的“能量工厂”）功能障碍，导致大量破坏性的活性氧产生和持续不断的炎症，这两种情况共同构成了一个难以打破的恶性循环，最终导致骨髓间充质干细胞（负责生成新骨的“建筑工人”）的成骨能力一蹶不振，种植体骨整合宣告失败。更棘手的是，目前临床缺乏一种能够精准修复线粒体功能、同时应对氧化应激和炎症的双重挑战的治疗策略。那么，有没有一种“聪明”的材料，能像特洛伊木马一样，在植入部位精确释放药物，同时修复受损的线粒体并平息炎症呢？
在这项发表于《Bioactive Materials》的研究中，来自上海交通大学医学院附属第九人民医院的科研团队就带来了一个颇具前景的解决方案。他们巧妙设计并构建了一种负载槲皮素（一种天然抗氧化剂）的多孔钽纳米球涂层（Qe@TNS）。这项研究的核心发现是，Qe@TNS涂层通过一个巧妙的“开关开启”机制，从根源上修复了糖尿病微环境中被破坏的胆固醇代谢和脂筏结构，激活了细胞的抗氧化防御系统，并抑制了关键的促炎通路，最终实现了线粒体的功能重塑，显著促进了糖尿病模型中的种植体骨结合。这为临床上解决糖尿病患者种植体失败率高的问题，提供了一条全新的、主动治疗性的纳米技术路径。
为了系统验证Qe@TNS涂层的效果，研究人员运用了多项关键技术与方法。他们通过高脂饮食联合链脲佐菌素成功建立了2型糖尿病大鼠模型，并将制备好的功能涂层植入大鼠股骨。在体外，研究使用了高糖高棕榈酸条件模拟糖尿病微环境培养大鼠骨髓间充质干细胞。材料表征方面，采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、能量色散X射线光谱、接触角测量、拉曼光谱等评估涂层的形貌、元素组成和亲水性。药物/离子释放研究模拟了生理和酸性两种环境。体内疗效通过微计算机断层扫描、硬组织切片、苏木精-伊红染色和马松三色染色进行评估。细胞层面的机制探索，则结合了实时荧光定量PCR、蛋白质印迹法、免疫荧光染色、流式细胞术、透射电子显微镜、以及使用安捷伦海马分析仪进行的细胞能量代谢分析。同时，还采用了代谢组学和蛋白质组学技术深入挖掘了糖尿病背景下关键的代谢变化和膜蛋白靶点。
研究结果
2.1. 糖尿病损害BMSCs的成骨能力和MQC网络
研究首先证实，在糖尿病大鼠体内，存在显著的骨质流失和骨密度下降。体外实验显示，在高糖高棕榈酸培养条件下，糖尿病BMSCs的成骨分化能力严重受损。同时，线粒体质量控制网络全面崩溃：线粒体膜电位和活力下降，氧化应激加剧，胆固醇含量显著降低。线粒体分裂、融合、自噬和生物发生相关基因表达失调。能量代谢方面，细胞的耗氧呼吸能力被抑制，糖酵解则代偿性增强，表明线粒体功能已发生严重障碍。
2.2. 功能化Qe@TNS涂层的制备与表征
研究人员采用溶胶-凝胶法合成了多孔钽纳米球，并成功将槲皮素负载其中，制备成Qe@TNS涂层。通过筛选，确定了10 μM为槲皮素的最佳负载浓度。材料表征显示，涂层均匀致密地覆盖在钛基底上，显著提高了植入体表面的亲水性，且表面粗糙度适宜细胞贴附。药物释放实验表明，Qe@TNS在生理和模拟炎症的酸性环境中均能实现持续释放，避免了药物的突释效应。
2.3. Qe@TNS促进糖尿病大鼠种植体骨整合
将载有不同涂层的种植体植入糖尿病大鼠股骨8周后评估发现，与未处理的糖尿病组相比，Qe@TNS涂层（尤其是负载10 μM槲皮素的Q10@TNS）显著促进了种植体周围新骨的形成。微计算机断层扫描和骨组织学分析显示，Q10@TNS组的新骨体积分数、骨小梁厚度以及骨-种植体接触率均得到显著改善，表明其能有效逆转糖尿病导致的骨整合障碍。
2.4. Qe@TNS抑制琥珀酸盐/HIF-1α/IL-1β轴以减轻炎症
代谢组学分析揭示，糖尿病条件下BMSCs和骨髓中TCA循环中间产物琥珀酸盐异常累积。同时，下游促炎因子HIF-1α和IL-1β的表达也显著升高。体外实验证实，Qe@TNS能有效抑制这一促炎信号轴的激活，表明其具有强大的抗炎能力，有助于改善糖尿病下的炎症微环境。
2.5. Qe@TNS重塑糖尿病BMSCs中受损的MQC网络
透射电镜观察发现，糖尿病导致BMSCs内线粒体数量减少、形态肿胀、嵴结构模糊甚至消失。Qe@TNS干预后，线粒体形态得到显著恢复。细胞和线粒体水平的活性氧检测、线粒体膜电位和活力检测均表明，Qe@TNS能有效缓解氧化应激，恢复线粒体功能。海马能量代谢分析进一步证实，Qe@TNS恢复了细胞的有氧呼吸能力，并纠正了线粒体分裂、融合、自噬和生物发生相关基因的表达紊乱。
2.6. Qe@TNS通过“开关开启”机制利用胆固醇代谢激活LR-(SR-B1)复合物
RNA测序和蛋白质组学分析均指出，脂质代谢是受糖尿病和Qe@TNS干预影响的关键通路。研究发现，高糖环境导致细胞膜胆固醇耗竭，进而引起功能性脂筏结构从有序相向无序相转变（“开关关断”），使原本锚定在脂筏上的清道夫受体B类I型等抗氧化蛋白功能失活。而Qe@TNS释放的槲皮素能够恢复胆固醇内流，促进脂筏结构从无序相恢复为有序相（“开关开启”），并重新招募SR-B1，形成功能性的LR-(SR-B1)抗氧化复合物，从而有效抵抗脂质过氧化损伤。
2.7. Qe@TNS抵抗氧化应激以“开关开启”机制重塑线粒体功能
通过使用MβCD（甲基-β-环糊精）消耗胆固醇或BLT-1抑制SR-B1活性，研究人员分别破坏了脂筏结构或SR-B1功能。结果发现，无论是破坏脂筏还是抑制SR-B1，都会导致氧化应激重新加剧，线粒体功能再次受损，且破坏脂筏的影响更为严重。这证明了完整的LR-(SR-B1)复合物对于Qe@TNS发挥线粒体保护作用至关重要。同时，抑制该复合物也会导致促炎因子表达上升、抗炎因子表达下降，以及成骨相关基因表达被抑制。
结论与意义
本研究成功开发了一种新型的、基于槲皮素的纳米治疗涂层Qe@TNS，它为解决糖尿病患者种植体骨整合难题提供了创新的解决方案。其核心创新点在于揭示并干预了一个由胆固醇代谢驱动的、连接氧化应激、炎症与线粒体功能的关键病理枢纽。
研究系统阐明了糖尿病损害骨整合的双重机制：一方面，高糖诱导的氧化损伤耗竭膜胆固醇，导致脂筏功能“关断”，瓦解了细胞的抗氧化防御；另一方面，线粒体功能障碍导致琥珀酸盐累积，激活HIF-1α/IL-1β促炎轴。Qe@TNS则通过一个精巧的“开关开启”机制实现双重修复：它通过槲皮素恢复胆固醇稳态，重建功能性LR-(SR-B1)抗氧化单元，直接对抗氧化应激；同时，它抑制琥珀酸盐/HIF-1α/IL-1β促炎信号轴，减轻炎症损伤。这两条路径协同作用，最终实现了线粒体质量控制网络的功能重塑，恢复了骨髓间充质干细胞的成骨潜能。
这项工作的意义深远。首先，它将治疗策略从被动的“促进成骨”提升到主动的“修复细胞器功能与微环境”层面，为生物材料设计提供了新范式。其次，它首次将胆固醇/脂筏动力学确立为糖尿病骨代谢紊乱中的关键调节靶点，并阐明了其通过SR-B1影响线粒体的具体机制，丰富了基础理论认知。最后，Qe@TNS涂层结合了钽的生物相容性、力学优势和槲皮素的生物活性，具有明确的临床转化潜力，有望为全球数以亿计的糖尿病患者带来更可靠、更持久的种植修复效果。当然，研究也存在局限性，如动物模型与人类疾病的差异、缺乏长期观察等，未来需要在更大动物模型和临床试验中进一步验证。
