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鎂科研：北京大學郭傳斌團隊研究發現可生物降解鎂合金通過巨噬細胞免疫調節促進骨膜下 ...

來自: 中國有色金屬工業協會鎂業分會收藏邀請

iNature

原位骨再生和垂直骨增量一直是臨床實踐中的巨大問題，給患者帶來巨大的經濟負擔和疾病痛苦。

2025年1月24日，北京大學郭傳斌、韓建民、戴慧共同通訊在Biomaterials 上在線發表題為“A biodegradable magnesium alloy promotes subperiosteal osteogenesis via interleukin-10-dependent macrophage immunomodulation”的研究論文。該研究在小鼠股骨中植入了MgZnYNd鎂合金棒，促進大量骨膜下新骨形成，并調控骨免疫調節。其中，巨噬細胞被吸引到骨膜下新骨區，是骨再生最重要的調節細胞。

骨膜剝離、巨噬細胞耗竭和白細胞介素10（IL-10）阻斷有效地減少了MgZnYNd合金誘導的骨膜下成骨。從機制上講，MgZnYNd合金的降解產物促進了M2巨噬細胞極化和抗炎細胞因子IL-10的分泌，從而通過JAK1-STAT3通路增強了骨膜衍生干細胞（PDSC）的成骨。抗IL-10中和抗體或STAT3抑制劑顯著抑制M2巨噬細胞介導的PDSCs成骨分化。轉錄組學和蛋白質組學顯示，骨膜蛋白是PDSCs成骨分化的核心調節因子。此外，作者驗證了Mg誘導的骨膜下成骨的臨床轉化潛力，證明了其能夠保持大鼠和兔拔牙后牙槽嵴的高度和寬度。總的來說，上述發現揭示了Mg合金通過巨噬細胞介導的骨免疫調節誘導骨膜下成骨的作用機制，突出了鎂合金在骨再生和骨增強中的治療潛力。

創傷、手術和全身性疾病經常導致不可逆的骨質流失，帶來嚴重的痛苦和相當大的經濟壓力。鈦基金屬等傳統成骨生物材料缺乏有效的成骨能力，需二次手術去除?；诰酆衔锏闹踩胛锖陀袡C/無機雜化材料具備良好的生物相容性，被廣泛用于骨軟骨修復。然而，這些材料通常機械強度不足，不適合涉及高機械負載的應用。可生物降解鎂（Mg）基金屬具備可調控的降解速率、良好的生物相容性、適當的機械強度和顯著的成骨潛力等優勢，是一種有效的替代材料。

高降解率在一定程度上阻礙了鎂基合金的應用。純化、涂層和合金化都是可以降低鎂基金屬降解率的方法。在Mg合金中添加鋅（Zn）元素可以有效提高機械強度和耐腐蝕性。此外，還可以添加少量稀土元素，如釔（Y）可以提高沖擊韌性，釹（Nd）可以調節第二相的性質和形貌，進一步提高耐腐蝕能力。Mg-2.0%Zn-0.5%Y-0.5%Nd顯示出良好的耐腐蝕性，并已用于心血管支架的構建。然而，仍需進一步探索Mg基金屬是否有助于促進垂直骨量增加和原位骨再生，也需要闡明鎂基植入物的降解產物與周圍生物組織之間的潛在相互作用機制，這對成骨功效至關重要。

圖1 可生物降解鎂合金通過巨噬細胞免疫調節促進骨膜下成骨（摘自Biomaterials ）

骨膜衍生干細胞（PDSC）介導的骨膜下成骨是修復骨缺損的重要途徑，其骨折修復再生的潛力高于骨髓間充質干細胞（BMSC）。研究證實， Mg基植入物可以促進外周皮質骨背根神經節（DRG）中神經元降鈣素基因相關多肽（CGRP）的釋放，通PDSCs的成骨分化促進大鼠骨折的愈合。然而，除了神經細胞介導的成骨微環境調節外，微環境中的免疫細胞等許多其他類型的細胞，也可以在調節PDSCs的成骨中發揮重要作用。尚未完全闡明Mg合金降解產物影響PDSCs骨膜下成骨的復雜機制。

成骨和免疫之間的相互作用，特別是在骨膜下區域，對骨再生至關重要。特定的細胞亞群，特別是巨噬細胞，通過分泌骨誘導因子參與生物材料重塑和免疫介導的骨再生。多項研究表明，能夠釋放Mg²⁺的生物材料可以調節免疫微環境并促進成骨。然而，鎂基金屬的降解微環境更為復雜，其控制骨免疫微環境（尤其是在PDSCs成骨中）的復雜機制尚未得到充分研究。

圖2 MgZnYNd合金誘導骨膜下成骨（摘自Biomaterials ）

該研究的關鍵假設是MgZnYNd合金可以調節骨免疫微環境和巨噬細胞極化，巨噬細胞分泌有助于PDSC介導的骨膜下成骨的關鍵細胞因子。該研究通過體內和體外實驗全面分析了骨免疫微環境的變化。首先，將合成的MgZnYNd合金植入小鼠股骨中，以探索其對垂直骨增強的影響。隨后，作者采用多色流式細胞術和多重免疫熒光染色來識別成骨微環境中的關鍵調節細胞，并利用多組學方法深入分析相互作用機制。最后，作者探索了MgZnYNd合金的臨床轉化潛力，研究了其對大鼠和兔子牙槽嵴保留的影響，這是垂直骨增強的典型應用場景。結果表明，鎂合金可以通過以巨噬細胞分泌IL-10為中心的先天免疫調節通路，激活骨膜干細胞中的JAK1-STAT3通路和以Periostin為中心的成骨相關基因高表達來促進骨膜下成骨，從而實現垂直骨增強和部位保留。

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