文獻解讀：北大口腔醫(yī)院團隊開發(fā)骨科植入物的新型涂層

俗話說，牙好，吃嘛嘛香。不過隨著年齡的增長，牙齒難免會松動和脫落，這時種牙就成為一個不錯的選擇�？墒�，老年人往往患有骨質(zhì)疏松癥等骨代謝相關(guān)疾病，這會導(dǎo)致破骨細胞過度分化和骨形成減少，從而引起骨重塑過程的失衡，使患者恢復(fù)困難。

以往的研究發(fā)現(xiàn)，多巴胺（DA）有望解決這個問題，它能夠促進成骨細胞并抑制破骨細胞生成。然而，目前的植入物無法搭載多巴胺等骨活性分子。為此，北京大學(xué)口腔醫(yī)院種植科的研究人員開發(fā)出一種植入物表面改性方法，能夠?qū)崿F(xiàn)多巴胺的可控釋放，并增強鈦植入物抵抗骨吸收和促進骨再生的能力。該篇研究文章已發(fā)表在《Materials Science and Engineering: C》雜志上。
 

                             
⭐研究思路和技術(shù)路線
這項研究的思路是創(chuàng)建一種帶有水凝膠涂層的鈦植入物，將多巴胺緩控釋放到微環(huán)境中，并探索其對骨重塑的調(diào)控作用以及多巴胺的最佳濃度。這種生物活性涂層可提高鈦表面抵抗骨吸收和穿透骨組織的能力，在促進骨再生方面顯示出良好的前景。
                         
① 研究人員首先在鈦表面制備了含有多巴胺的水凝膠涂層，并測定了其物理和化學(xué)性質(zhì)，以及多巴胺的釋放能力。之后，他們用小鼠單核巨噬細胞RAW264.7和人骨髓間充質(zhì)干細胞hBMSC開展體外實驗，評估含有多巴胺的涂層對骨形成和骨吸收的影響。
② 他們在帶有水凝膠涂層的鈦板上培養(yǎng)細胞，之后評估了細胞的存活和增殖能力。對于RAW264.7細胞，他們采用qRT-PCR和Western Blot分析檢測了與破骨細胞生成相關(guān)的基因和蛋白表達。對于hBMSC細胞，他們還利用賽業(yè)OriCell®提供的hBMSC成骨誘導(dǎo)分化試劑盒來誘導(dǎo)成骨分化，并評估水凝膠涂層對該過程的影響（圖1）。
 

圖1.實驗流程圖

                        
⭐研究結(jié)果
✔制備帶有水凝膠涂層的鈦板
研究人員對純鈦板進行清洗和處理后，將其定義為SLA鈦。之后他們在SLA肽的表面上形成碳酸鈣（CaCO₃），然后將含有多巴胺的水凝膠前體溶液（AlgR@DA）加載到界面上并孵育。最后，將處理后的樣品浸入CaCl₂溶液中以交聯(lián)水凝膠（圖2）。

圖2. SLA鈦表面包被AlgR@DA水凝膠的示意圖

                
他們發(fā)現(xiàn)，球霰石碳酸鈣可以顯著增強水凝膠和鈦板之間的界面結(jié)合。他們通過搭接-剪切粘合拉伸試驗來評估包被了水凝膠的碳酸鈣改性SLA鈦表面的粘合強度。結(jié)果表明，鈣離子交聯(lián)10分鐘后的剪切強度為41.5kPa。球霰石晶體在界面處形成了連續(xù)的礦物層，從而擴大了鈦基的接觸面積，提高結(jié)合強度。此外，他們還發(fā)現(xiàn)水凝膠涂層能夠在兩周時間內(nèi)穩(wěn)定釋放多巴胺，表明它具有一定的多巴胺控制釋放能力。

✔水凝膠涂層抑制破骨細胞分化
之后，研究人員在RAW264.7細胞上開展了進一步的分析，這是體外研究破骨細胞的經(jīng)典細胞系。他們發(fā)現(xiàn)，在水凝膠修飾材料表面培養(yǎng)細胞時，適當(dāng)濃度（10-1000μM）的多巴胺不影響細胞增殖。qRT-PCR結(jié)果表明，多巴胺抑制了破骨細胞特異性基因（Cathepsin K、MMP-9、NFATc1和TRAP）的表達（圖3）。
 

圖3. 不同界面對破骨細胞特異性基因表達的影響

RANKL（NFκB受體活化因子配體）的處理可誘導(dǎo)RAW264.7細胞的破骨細胞分化，并導(dǎo)致破骨細胞特異性基因的表達發(fā)生變化。由于NFATc1活化和核轉(zhuǎn)位在破骨細胞標(biāo)志物基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控中起主導(dǎo)作用，他們接下來評估了界面對RANKL誘導(dǎo)的NFATc1活化的影響，采用免疫熒光染色來檢測NFATc1的表達和核轉(zhuǎn)位。結(jié)果表明，在加入100μM和1000μM AlgR@DA后，NFATc1的表達和核轉(zhuǎn)位明顯減弱。這些結(jié)果顯示，水凝膠涂層抑制了破骨細胞的成熟和分化。多巴胺則進一步抑制了這一過程并減少了NFATc1的核轉(zhuǎn)位。
                              

有意思的是，他們還發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的游離形式給藥相比，多巴胺以受控方式從鈦涂層中釋放能夠更有效地抑制破骨細胞生成，而且涂層和多巴胺表現(xiàn)出極大的協(xié)同作用。
      
✔水凝膠涂層促進BMSC的成骨分化
為了確定多巴胺涂層材料調(diào)節(jié)骨重塑平衡的最佳濃度，研究人員接著在hBMSC上開展分析。BMSC具有多分化潛能，能夠分化成成骨細胞、軟骨細胞及其他細胞。他們分析了涂層對hBMSC成骨分化的影響，并評估了堿性磷酸酶（ALP）的活性，它的表達是成骨分化的一個明顯特征。結(jié)果表明，在成骨誘導(dǎo)后的第7天，與對照相比，多巴胺載藥組觀察到更高的ALP活性。在第14天，100μM多巴胺組的ALP活性最高。這些實驗結(jié)果顯示，對于BMSC的成骨分化，加入適當(dāng)濃度多巴胺的水凝膠涂層能夠促進成骨反應(yīng)，而且在多巴胺濃度為100μM時效果最佳（圖4）。
 

圖4. 含有多巴胺的水凝膠涂層調(diào)控骨重塑的示意圖

    
⭐總結(jié)
在這項研究中，研究人員成功地在粗糙的鈦表面上制備了一層生物活性水凝膠，這層水凝膠可持續(xù)穩(wěn)定地釋放多巴胺。結(jié)果表明，水凝膠涂層可抑制TRAP活性，而釋放到微環(huán)境中的多巴胺可進一步抑制破骨細胞分化，同時促進BMSC的粘附和成骨分化。這種方法有望解決骨代謝疾病患者的種植相關(guān)問題。
        

⭐原文檢索：

Mingyue Wang, Chenxi Wang, Yu Zhang, Ye Lin. Controlled release of dopamine coatings on titanium bidirectionally regulate osteoclastic and osteogenic response behaviors. Materials Science and Engineering: C, Volume 129, 2021, 112376. https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112376.