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《流浪地球》里有这样一段台词:一万五千年前,大腿骨折是致命的,但这根股骨愈合了一一它是人类文明诞生的标志。这意味着,有人为他处理伤口,有人为他提供食物和水,有人保护他不受野兽的攻击。
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一万五千年后,骨骼修复早已不再只能依靠等待和照料,但严重骨缺损仍是临床治疗中的难题,尤其是在老年人身上。
近期,《Nature Communications》上发表的一项研究,为这个难题提供了一个新思路。他们发现,骨骼修复失灵的一个关键原因在于:一种叫SAM的分子在衰老骨组织中几乎耗竭;并据此设计了一种精准递送系统——纳米浓缩体SMNV,在老年个体上实现了骨缺损的近乎完全修复[1]。
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衰老骨修复,卡在了哪里?
骨折后骨头要长好,至少需要两大步:炎症消退、新生骨形成。但在老年个体身上,这两步都卡住了。因为衰老的骨骼内血管退化、慢性炎症、代谢紊乱...修复工作举步维艰。是细胞不行了,还是出了其它问题?
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图注:骨缺损修复过程示意图。
研究团队分析了年轻和老年小鼠骨折后的单细胞测序数据,识别出六类细胞群体。基于巨噬细胞(免疫调控核心)和骨骼干细胞(骨形成主要来源)的已知功能,他们聚焦于这两类细胞,结果发现,两类细胞在老年个体的骨修复现场中明显状态不对:
负责清理碎片、消退炎症的巨噬细胞没有完成任务,导致本该结束的炎症信号持续释放;负责分化成新骨细胞的骨骼干细胞,本该启动的增殖和分化程序也未启动,使得修复迟迟未能开始。
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图注:骨修复微环境中的主要细胞群体,其中巨噬细胞和骨骼干细胞是重点研究对象。
并且,两类细胞中有个相同的异常:参与多胺生物合成的基因均显著上调。而多胺合成,恰好是大量消耗SAM(S-腺苷甲硫氨酸,通用甲基供体,负责调控基因表达)的一条主要代谢途径。由此进一步通过代谢检测证实:老年个体的两类细胞中,SAM水平均低于年轻个体
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图注:多胺合成通路示意图;老年个体巨噬细胞和骨骼干细胞中SAM水平低于年轻组。
SAM不足对两类细胞都产生了影响。在巨噬细胞里,SAM短缺使炎症信号无法及时消退;在干细胞里,SAM耗尽导致异染色质松散,本该沉默的转座子(能在基因组中移动的DNA片段,可能干扰正常基因功能)被激活,触发cGAS-STING炎症通路,干细胞逐渐丧失分化能力,无法再生成新的骨细胞。
所以,衰老的骨组织里存在一个此前被忽视的隐秘问题:免疫细胞和干细胞,同时缺少了一种关键物质SAM。那就想个办法,把它补上!
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一个“套娃”式设计,如何促进骨修复?
补SAM的思路没错,但面临现实困难:SAM口服会被胃肠道大量破坏;通过注射进入血液,也很难自行穿过细胞膜。
于是,研究团队设计了一个“套娃”系统——纳米浓缩体SMNV。它的外壳是载着SAM的脂质体,内核是干细胞来源的囊泡。外壳能和细胞膜直接融合(效率高达79.4%),把货物释放到细胞内部,绕开溶酶体的降解。
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图注:将间充质干细胞(MSC)衍生的纳米囊泡(MNV)包封在负载SAM的融合脂质体(SFL)中,逐步制备SMNV的示意图。
研究者发现,如果巨噬细胞还在释放炎症,就算给了干细胞再好的分化信号,骨头也长不出来。所以SMNV的时序很明确:先释放SAM,再释放囊泡。
先看SAM对巨噬细胞做了什么。它可以抑制促炎信号、增强其清理凋亡细胞的胞葬作用。同时,巨噬细胞的代谢状态也随之转变:线粒体呼吸增强,NAD+增加,逐渐从促炎型转向有利于组织修复的修复型。
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图注:SMNV增强巨噬细胞的胞葬能力(PKH67标记凋亡细胞),并推动其从促炎型(iNOS⁺)向修复型(ARG1⁺)转变。
炎症消退后,轮到内部的干细胞囊泡上场了。囊泡进入骨骼干细胞后,一方面修复线粒体,让细胞重新恢复能量;同时,其携带的SIRT1、ANXA1等蛋白也参与调控成骨分化。还没完,SAM也来助力了,它帮助干细胞重新压紧松散的染色质,减少原本受到抑制的转座元件异常活跃。
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图注:SMNV处理后,衰老骨骼干细胞的异染色质标志物H3K9me3恢复(上);ALP染色(左下,成骨分化早期标志)和ARS染色(右下,成骨分化晚期标志)均显著增强。
总之,SAM和囊泡分工配合,先调免疫、再促分化,从而唤醒衰老的骨修复能力。
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7天灭炎症,56天长新骨!
再看看活体上的结果。研究团队选用了骨再生能力已严重衰退的老年雌性大鼠,在其头骨上制造了一个直径5毫米的贯穿性缺损,这个尺寸在老年动物身上基本无法自愈。然后把装载SMNV的水凝胶填入缺损处,让它在局部缓慢释放。
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图注:SMNV@Gel(水凝胶)植入后在缺损区缓慢持续释放。
7天后,研究者检查了缺损处的免疫微环境,结果与体外实验一致:促炎型巨噬细胞比例下降,修复型巨噬细胞比例上升,TNF-α、IL-6等促炎因子减少,IL-10等抗炎因子增加。
56天后,骨修复差异进一步显现。对照组的头骨缺损区只有少量纤维组织填充;而SMNV治疗组的缺损区,则几乎被新生骨完全填充,骨体积分数增加了约5倍。并且新生的骨组织排列有序,胶原沉积丰富,成骨细胞密集分布。
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图注:SMNV@Gel治疗后8周,老年大鼠颅骨缺损区近乎完全被新生骨填充(体积分数达到约76%);骨体积分数(BV/TV)显著提升。
就是说,这套系统在老年个体上确实管用,骨修复能力被重新唤醒了。
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纳米抗衰,不止于骨骼
其实,SAM这个分子应该不算陌生。咱们之前讲过的“蛋氨酸限制抗衰”就和它密切相关——适度控制蛋氨酸的摄入,可以改善代谢、延缓衰老进程[2]。而蛋氨酸正是SAM的唯一前体,所以,SAM的水平和衰老本就有着千丝万缕的联系。
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图注:蛋氨酸是SAM的合成前体。
这项研究则把视线从全身聚焦到了具体器官,且SAM耗竭并非孤例。此前有研究发现:肌肉干细胞衰老同样与SAM耗竭直接相关[3]。那么,SAM耗竭会不会是多种组织衰老的共性问题呢?
如果这个猜想成立,那SMNV这类纳米递送系统或许就不止于治骨缺损。通过将SAM补充到不同组织的衰老干细胞中,是否可能延缓多种功能衰退?不过,从不同组织的微环境差异、递送效率到长期安全性,还有大量问题待解。
目前纳米抗衰领域的研究方向很多元。有利用纳米载体递送衰老细胞清除剂的(如靶向衰老细胞标志物的纳米胶束[4]),有利用纳米材料模拟酶活性清除活性氧的(如氧化铈纳米颗粒抑制肌肉干细胞衰老[5]),也有递送干细胞活性物质的。每条路径都有自己的逻辑。
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图注:纳米材料用于抗衰老的多种策略示意图[6]。
当然,这套系统的制备工艺复杂、长期安全性未知,目前仅在大鼠身上验证过,且只用了雌性大鼠。因为骨质疏松在绝经后女性中发病率远高于男性,从临床转化看,先在雌性上验证或许更直接。但雌激素本身会影响甲基化代谢,SAM正是其中的关键分子,其代谢环境可能因性别而异。换成雄性能否达到同样的效果?还值得进一步探究。
[本文的名称是《A bioorthogonal nanoconcentrisome system for epigenetic and immunometabolic reprogramming of tissue regeneration in aged female rats》,发表于《Nature Communications》期刊,通讯作者是浙江大学医学院附属邵逸夫医院的梁凯裕、方向前,云南省第一人民医院的陆声。第一作者是浙江大学医学院附属邵逸夫医院的赵澜、张哲远、郑陆宇。本研究资助来源:中国国家自然科学基金(编号U22A20282,编号82472471,编号82203446,编号82302790,编号82301760),浙江省“先锋”和“领头雁”研发计划(编号2025C02162)。]
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