骨质疏松性颌骨缺损表现为骨骼愈合受损和新骨再生不足，这源于病理性骨质疏松微环境，慢性炎症和过量活性氧（ROS）积累损害骨髓来源间充质干细胞（BMSC）的功能。本研究发现骨质疏松型BMSC表现出骨源分化和迁移减少，伴有细胞内ROS升高，线粒体在功能和结构层面均有失调。针对这一病理生理，我们通过将锰掺杂的沸石吡啶醇酯框架-8纳米颗粒掺入明胶甲基丙烯基质，协同整合氧化还原调控与骨生成刺激，从而设计出局部注射的Mn-ZIF-8@GelMA水凝胶。Mn-ZIF-8@GelMA有效缓解氧化应激，改善线粒体功能，并增强骨质疏松性BMSCs的骨生成能力。从机制上看，Mn-ZIF-8@GelMA治疗可增加线粒体抗病毒信号蛋白（MAVS）表达，减少动力蛋白相关蛋白1（DRP1）磷酸化，并缓解线粒体过度裂变。线粒体破坏和MAVS敲低进一步表明，MAVS和DRP1可能参与Mn-ZIF-8@GelMA的线粒体重塑和骨生成效应。在体内，Mn-ZIF-8@GelMA显著促进骨质疏松小鼠的拔牙槽修复。本研究提出了一种Mn/Zn双金属有机骨架（MOF）集成的GelMA水凝胶用于骨质疏松性颌骨修复，并强调氧化还原介导线粒体调控内源性BMSCs，作为克服骨质疏松条件下骨骼再生受损的有前景策略。

该研究以题为“Mn/Zn Bimetallic MOF-Integrated Hydrogel Alleviates Excessive Mitochondrial Fission in BMSCs to Promote Osteoporotic Jawbone Repair”发表在Advanced Science上。

图1

OP-mBMSCS表现出成骨和迁移受损，伴有氧化应激和线粒体功能障碍。（A）代表性光学图像，展示mBMSC（每组n=3）的成骨和脂肪形成分化能力。尺度条：500微米。（B） 成骨相关基因（alpl、runx2、bmp2、col1a1）的相对mRNA表达水平（每组n=3）。（C）对BMP-2蛋白表达进行西方印迹法及灰值定量分析（每组n=3）。（D） 划伤测定的代表性光学图像，展示了mBMSC在抓挠后0小时和48小时的迁移能力，并定量分析伤口闭合率（每组n = 3）。比例尺：500微米。（E） ATP产量的定量分析，归一化至总蛋白含量（每组n = 3）。（F）抗氧化相关基因nrf2和sirt1的相对mRNA表达水平（每组n=3）。（G）由DCFH-DA检测到的细胞内ROS代表性荧光图像及定量分析（每组n=3）。比例尺：200微米（H）线粒体ROS的代表性荧光图像，通过MitoSOX和定量分析（每组n=3张）检测到。比例尺：500微米。（I） 代表性TEM图像，展示线粒体超微结构及线粒体纵横比的定量分析。比例尺：2微米（J）线粒体网络的代表性共聚焦显微镜图像。比例条：10微米。放大区域突出线粒体形态的详细变化。线粒体数量、平均分支长度、分支数和线粒体足迹面积的定量分析显示，OP-mBMSCS的线粒体网络显著受损（每组n=3个）。（K）示意图，总结OP-mBMSCs中ROS过量积累、线粒体功能障碍、线粒体动态障碍以及骨生成分化、迁移和ATP产生受损之间的关联。误差条表示平均值±标准差。p < 0.01，p < 0.001，p < 0.0001。

图2

Mn-ZIF-8和Mn-ZIF-8@GelMA的合成与表征。（A） 合成程序的示意图。（B）代表性扫描电子显微镜图像及ZIF-8和Mn-ZIF-8纳米颗粒的尺寸分布分析。比例条：500纳米。（C）透射电子显微镜成像，（D）Mn-ZIF-8纳米颗粒的EDS元素映射。比例条：500纳米。（E） XPS谱，展示Mn2p价态分布（Mn）2+以及明尼苏达州4+）在Mn-ZIF-8纳米颗粒中。（F）Mn-ZIF-8多酶样活性氧物质清除活性的示意图。（G） H2O2- 扫气活动和 （H） •O2−- ZIF-8和Mn-ZIF-8在指定浓度（每组n=3）下的清气活动。（I） 在用ZIF-8或Mn-ZIF-8处理后，芬顿-TMB反应系统的紫外-可见吸收光谱，反映•氧气清除活性（每组n=3）。（J） 显示GelMA和Mn-ZIF-8@GelMA水凝胶多孔微观结构的SEM图像。比例条：100微米（K）扫描电子显微镜图像及相应的EDS元素映射，展示了Mn-ZIF-8@GelMA中元素的均匀分布。比例条：100微米（长）XRD图案，确认ZIF-8、Mn-ZIF-8、GelMA和Mn-ZIF-8@GelMA的晶体结构。（M） CCK-8 显示了 Mn-ZIF-8@GelMA 水凝胶在24小时和72小时培养后不同浓度下的生物相容性（每组 n = 3）。（N） Mn-ZIF-8@GelMA水凝胶（L-凝胶、M-凝胶、H-凝胶）在21天内累计锰离子释放谱（每组n = 3个）。误差条表示平均±标准差。p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001，p < 0.0001。

图2

Mn-ZIF-8和Mn-ZIF-8@GelMA的合成与表征。（A） 合成程序的示意图。（B）代表性扫描电子显微镜图像及ZIF-8和Mn-ZIF-8纳米颗粒的尺寸分布分析。比例条：500纳米。（C）透射电子显微镜成像，（D）Mn-ZIF-8纳米颗粒的EDS元素映射。比例条：500纳米。（E） XPS谱，展示Mn2p价态分布（Mn）2+以及明尼苏达州4+）在Mn-ZIF-8纳米颗粒中。（F）Mn-ZIF-8多酶样活性氧物质清除活性的示意图。（G） H2O2- 扫气活动和 （H） •O2−- ZIF-8和Mn-ZIF-8在指定浓度（每组n=3）下的清气活动。（I） 在用ZIF-8或Mn-ZIF-8处理后，芬顿-TMB反应系统的紫外-可见吸收光谱，反映•氧气清除活性（每组n=3）。（J） 显示GelMA和Mn-ZIF-8@GelMA水凝胶多孔微观结构的SEM图像。比例条：100微米（K）扫描电子显微镜图像及相应的EDS元素映射，展示了Mn-ZIF-8@GelMA中元素的均匀分布。比例条：100微米（长）XRD图案，确认ZIF-8、Mn-ZIF-8、GelMA和Mn-ZIF-8@GelMA的晶体结构。（M） CCK-8 显示了 Mn-ZIF-8@GelMA 水凝胶在24小时和72小时培养后不同浓度下的生物相容性（每组 n = 3）。（N） Mn-ZIF-8@GelMA水凝胶（L-凝胶、M-凝胶、H-凝胶）在21天内累计锰离子释放谱（每组n = 3个）。误差条表示平均±标准差。p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001，p < 0.0001。

图4

Mn-ZIF-8@GelMA水凝胶促进OP-mBMSCs体外的骨源分化。（A）阿利扎林红S和油红O染色的代表性图像，显示矿化结节形成增强和脂滴积聚减少（每组n=3）。比例尺：500微米。（B） 对不同组（n=3）对不同组骨发生相关基因（alpl、runx2、bmp2和col1a1）进行定量实时PCR分析。（C）对BMP2蛋白表达进行西方印迹分析，内对照为GAPDH（每组n=3）。（D） 对OPN（绿色）、肌动蛋白细胞骨架（红色）和细胞核（DAPI，蓝色）进行免疫荧光染色，并合并图像并重建荧光强度图谱（每组n=3）。比例杆：50微米。误差条表示平均值±标准差。p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001，p < 0.0001。

图5

Mn-ZIF-8@GelMA缓解氧化应激，并拯救OP-mBMSCs中的线粒体动态。（A） 不同组中DCFH-DA染色检测到的细胞内ROS水平的代表性荧光图像（每组n=3）。刻度条：500微米（B）JC-1染色显示线粒体膜电位，红色荧光表示J聚集体（正常电位），绿色荧光表示J-单体（去极化线粒体）（每组n=3）。比例杆：500微米。对应的荧光强度分布图如下所示。（C） OP-mBMSCs细胞内ATP含量，采用不同水凝胶培养（每组n=3）。（D） 每组线粒体动力学相关基因的相对mRNA表达水平，包括融合相关基因mfn1、mfn2和opa1，以及裂变相关基因dnm1l和fis1（每组n=3）。（E）通过共聚焦显微镜和线粒体数量、分支数、枝长和线粒体足迹（每组n=3）定量分析的线粒体形态。比例杆：10微米。误差条表示平均值±标准差。p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001，p < 0.0001。

总结

参考文献：

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