编号：YYHY01007

篇名：复合α-酮戊二酸聚酯微球磷酸钙骨水泥促进骨质疏松骨缺损修复的作用与机制研究

作者： 康正阳

关键词： 骨质疏松; 骨缺损修复; 磷酸钙骨水泥; α-酮戊二酸; 能量代谢; 生物活性材料;

机构： 南方医科大学

摘要： 目的: 骨质疏松症在全球老龄化进程中已成为不可忽视的公共卫生问题,其病理性骨折伴发的骨缺损表现出骨再生能力低、内固定稳定性低、骨修复质量低及内固定失败率高的“三低一高”临床特征,严重影响患者的预后。尽管磷酸钙骨水泥(CPCs)在临床应用广泛,但其生物惰性限制了成骨诱导效果,对微环境及能量代谢的调控能力不足,难以满足骨质疏松复杂病理条件下的骨修复要求。鉴于此,本研究突破传统CPCs的被动修复理念,基于α-酮戊二酸(α-ketoglutarate,α-KG)在能量代谢调控、抗氧化、抗炎及成骨分化中的多重生物学作用,创新性地构建了复合α-酮戊二酸聚酯微球磷酸钙骨水泥(α-KG/CPCs)。建立可控的α-KG缓释系统,并系统性探索其作用机制。为实现从被动填充到主动调控的修复模式转变提供依据。 方法: 采用熔融缩聚法合成α-KG聚酯并制备微球,通过粉体共混法与CPCs制备α-KG/CPCs。FTIR、XRD、SEM系统表征材料理化性能;检测其凝固、降解与释放动力学并进行力学性能评价。 评价材料生物相容性,考察不同比例α-KG/CPCs对成骨基因及蛋白表达,成骨分化、矿化的影响,以及在H2O2诱导氧化应激与LPS炎症模型下的抗氧化、抗炎作用。 建立大鼠骨质疏松骨缺损模型,分组植入CPCs或α-KG/CPCs,术后行Micro-CT、H&E染色、Masson染色及RUNX2免疫组化评价骨修复情况。 转录组测序获得显著差异表达的基因,并对这些差异表达基因进行GO、KEGG通路富集分析,并采用qPCR、蛋白质免疫印迹来检测能量代谢与糖酵解相关基因表达及蛋白磷酸化水平验证核心信号通路。 结果: 制备α-KG/CPCs,结构表征结果表明该α-KG/CPCs微球形态规则,表面光滑,并均匀地分散于CPCs中。10%α-KG组凝固时间适宜,降解稳定。力学性能接近 CPCs。 材料相容性良好,10%α-KG组显示出明显的促成骨分化现象,ALP、RUNX2基因表达显著上调(p<0.001),矿化结节数量显著增加(p<0.01);该微球能够有效地清除ROS,并上调SOD和CAT表达水平;并且能显著抑制炎症反应,IL-1、IL-6、TNF-α浓度水平显著下调(p<0.01)。 10%α-KG组8周时骨体积分数(BV/TV)较对照组提高约3倍,骨矿物质密度(BMD)极显著升高(p<0.001)。组织学显示α-KG组炎症轻,新骨小梁形成良好;胶原沉积与矿化程度高;RUNX2阳性细胞数高于其他组。 转录组分析揭示材料可能通过激活PI3K/Akt/mTOR信号通路,上调糖酵解关键基因GLUT1和PFK1表达,促进ATP生成,同时上调生长因子Igf1等表达。 结论: 本研究创新性采用α-KG聚酯微球化策略,实现了α-KG可控缓释,构建了“能量代谢-氧化还原-炎症调控”新模式;实现了骨缺损从被动填充到主动调控的转变;揭示了 α-KG可能通过PI3K/Akt通路介导代谢重编程促进骨修复的分子机制,为骨质疏松性骨缺损治疗提供了新的材料体系和理论基础。