多孔GelMA负载氧化石墨烯量子点激活的牙髓干细胞促进骨再生

骨组织工程 (BTE)中，由于患者年龄较大或患有疾病，宿主细胞的再生能力可能不足，难以有效修复骨缺损。氧化石墨烯量子点（GOQDs）预处理能够显著增强牙髓干细胞（DPSCs）的成骨分化能力。同时，GOQDs具有良好的生物相容性，能够在体内快速清除，不会引起显著的毒性和副作用。因此，选择一种合适的递送载体将GOQDs预处理后的DPSCs递送到目标部位，并保持其活性及促进成骨分化能力特别关键。

成果简介

中国医科大学团队于2024年10月4日在期刊《International Journal of Nanomedicine》上发表了题为“Graphene Oxide Quantum Dots-Preactivated Dental Pulp Stem Cells/GelMA Facilitates Mitophagy-Regulated Bone Regeneration”的研究论文。本研究选择了多孔甲基丙烯酰化明胶（多孔GelMA）作为载体，负载GOQDs激活后的DPSCs，应用于大鼠的颅骨缺损模型，通过PINK1/PRKN途径促进线粒体自噬，显著提升了成骨分化和颅骨缺损修复效果。

DOI：10.2147/IJN.S480979

实验设计

1、GOQDs预处理DPSCs：将DPSCs置于含5 μg/mL GOQDs的成骨培养基中，培养8天，以诱导其成骨分化。

2、DPSCs/GelMA复合水凝胶的制备：先制备6%（w/v）的多孔GelMA前驱体溶液，再将经GOQDs预处理的DPSCs与该溶液混合，随后利用UV 405 nm光源进行光交联，从而制成DPSCs/GelMA复合水凝胶。

3、动物模型建立及载体植入：在6周龄的雄性Sprague-Dawley大鼠颅骨上制作直径5 mm的骨缺损，将上述制得的DPSCs/GelMA复合水凝胶植入缺损部位，3周后对骨缺损的修复效果进行评估。

研究亮点

1、选择多孔GelMA水凝胶作为递送载体的优势

甲基丙烯酰化明胶（GelMA）源自天然明胶，具备出色的生物相容性和低免疫原性，植入体内后极少引发免疫反应。此外，GelMA富含氨基酸和多种官能团，这些成分有助于细胞的粘附与增殖，为细胞提供了一个优越的生长环境。本研究中选择了多孔GelMA水凝胶（EFL-GM-PR），具有更高的孔隙率，这为细胞提供了更多的空间进行生长和迁移。同时，多孔GelMA水凝胶具备高可塑性以及生物可降解性，使其能够适应体内多种修复场景，非常适合用作药物和细胞的载体，实现精准递送。

2、体外探究：DPSCs在不同条件的多孔GelMA水凝胶中的生长与分化能力

（1）SEM对孔隙率进行分析，发现6%（w/v）多孔GelMA水凝胶拥有最大孔隙和最高孔隙率，这为细胞生长及营养物质传输提供了有利条件（图A、B、C)。

（2）CCK-8实验数据表明，在6%（w/v）多孔GelMA水凝胶中，细胞活性达到峰值，充分证明：该浓度水凝胶对细胞生长的支持效果最为出色(图D）。

（3）活/死细胞染色评估结果显示，在常规培养基中培养的多孔GelMA水凝胶（GM组）内，细胞大多保持存活状态；而当培养基中混入200 nM 均衡霉素A后，置于多孔GelMA水凝胶（GM + STS组）中的细胞大量死亡。这一对比结果清晰地揭示了多孔GelMA水凝胶在营养物质和药物传递方面的卓越性能，有力地保障了细胞的正常生长与功能发挥(图E）。

（4）ALP染色评估结果揭示，经GOQDs预处理的DPSCs/GelMA复合水凝胶组，其ALP表达量显著高于未预处理的DPSCs/GelMA复合水凝胶组。这充分证实，在多孔GelMA水凝胶这一特定环境下，经过GOQDs预处理的DPSCs具备更强的成骨分化能力，展现出巨大的应用潜力。

3、体内探究：不同处理条件下GOQDs预处理的DPSCs/GelMA复合水凝胶在骨缺损修复中的效果

为深入评估不同处理条件下GOQDs预处理的DPSCs/GelMA复合水凝胶在体内骨缺损修复中的表现，本研究采用了Micro-CT扫描、组织学染色（HE染色、Masson三色染色）以及免疫组化染色（OCN染色）等多种方法，对骨缺损的修复情况进行全方位评估。研究结果显示，通过与对照组及其他处理组的细致对比，充分验证了GOQDs预处理的DPSCs/GelMA复合水凝胶在骨修复领域所具有的显著优势。