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文獻閱讀:革命性氫氣療法讓老化骨骼重獲新生

老化骨骼重獲新生

隨著人口老齡化,老年人的骨折修復問題越來越嚴重。衰老的微環境(SME)引起的持續性炎症和再生能力的喪失,是老年人組織修復的主要障礙。最近,一項研究提出了一個突破性的解決方案—通過局部釋放氫氣來改造衰老微環境,促進受損骨骼的修復。本文將詳細介紹這項研究的背景、方法和結果,並探討其對未來治療老年骨缺損的潛在影響。


衰老的微環境(Senescence Microenvironment,SME)指的是由衰老細胞及其分泌的各種因子所創造的周圍環境。這些因子包括促炎細胞因子、化學趨化因子和基質降解酶等,它們共同形成一種獨特的微環境。SME的主要特點包括:

  • 持續的炎症反應:衰老細胞會分泌大量促炎細胞因子,導致慢性炎症。

  • 細胞周期停滯:衰老細胞處於停滯狀態,不再分裂,代謝活動停滯。

  • 組織功能衰退:SME內的衰老細胞及其分泌的因子會影響周圍健康細胞的功能,導致組織功能下降。

  • 分泌性表型改變:衰老細胞分泌的物質會誘導其他細胞進入衰老狀態,形成一種惡性循環。


在老年人中,SME會導致組織再生能力下降,影響傷口愈合和骨折修復。因此,改造SME以減少其負面影響,恢復組織的再生能力,是促進老年人組織修復的重要策略。

Chen S, Yu Y, Xie S, Liang D, Shi W, Chen S, Li G, Tang W, Liu C, He Q. Local H2 release remodels senescence microenvironment for improved repair of injured bone. Nat Commun. 2023 Nov 27;14(1):7783. doi: 10.1038/s41467-023-43618-z. PMID: 38012166; PMCID: PMC10682449.
Chen S, Yu Y, Xie S, Liang D, Shi W, Chen S, Li G, Tang W, Liu C, He Q. Local H2 release remodels senescence microenvironment for improved repair of injured bone. Nat Commun. 2023 Nov 27;14(1):7783. doi: 10.1038/s41467-023-43618-z. PMID: 38012166; PMCID: PMC10682449.

名為「Local H2 release remodels senescence microenvironment for improved repair of injured bone 使用氫氣局部釋放改善老化受損骨骼」這篇論文討論了局部氫氣釋放如何改變衰老的微環境以促進受損骨骼的修復。



氫氣的抗衰老潛力


氫氣(H2)以其安全且廣譜的抗炎特性受到科學家的關注。研究表明,氫氣能選擇性地清除高活性氧自由基,減少氧化壓力相關的衰老效應。這些特性使得氫氣成為一種有潛力的抗衰老劑。在本研究中,研究團隊設計了一種能持續釋放高劑量氫氣的支架,有效改造衰老微環境並促進骨缺損修復。 推薦:氫分子是一種新型的抗氧化劑探索氫氣療法的臨床應用及其未來前景


支架的設計與特性用於模擬環境


研究人員使用聚羥基烷酸酯(PHA)包裹的CaSi2納米顆粒(CSN)作為氫氣前體,並將其沉積在介孔生物活性玻璃(MBG)上,製成了一種能持續釋放氫氣的支架(CSN@PHA-MBG)。這種支架顯示出高生物相容性和持久的氫氣釋放能力,有利於早期炎症階段的微環境重塑。


研究方法與結果


氫氣的抗炎和抗衰老效應


在老年小鼠骨骼中,持續的氫氣供應顯著降低了多種衰老標誌物的表達,並促進了抗氧化酶的活性,顯示出強大的抗衰老效果。同時,氫氣顯著降低了促炎細胞因子的表達,轉化了巨噬細胞的表型,促進了抗炎反應


圖 1: 氫氣的抗炎和抗衰老效應
圖 1: 氫氣的抗炎和抗衰老效應
  • 圖 1a: 顯示了從老年小鼠骨骼中提取的各類細胞(骨髓間質幹細胞、巨噬細胞和骨細胞)的過程,並用來測試持續氫氣處理的效果。

  • 圖 1b: 這張圖片展示了在連續7天的氫氣處理下,不同細胞中的衰老標誌物(如ROS、p16、p21、SA-β-gal)的變化。結果顯示氫氣顯著降低了這些標誌物的表達,並提高了抗氧化酶HO-1和增殖標誌物Ki67的表達,表明氫氣具有強大的抗衰老效果

  • 圖 1c: 這是一個綜合示意圖,展示了氫氣處理如何通過抗炎、抗衰老和保持再生能力來調節衰老微環境。


支架的構建和特性


我們使用聚羥基烷酸酯包裹的CaSi2納米顆粒(CSN)作為氫氣前體,並將其沉積在介孔生物活性玻璃(MBG)上,製成了一種能持續釋放氫氣的支架。該支架顯示出高生物相容性和持久的氫氣釋放能力,有利於早期炎症階段的微環境重塑。


圖 2: 氫氣釋放支架的結構和氫氣釋放行為
圖 2: 氫氣釋放支架的結構和氫氣釋放行為
  • 圖 2a 和 2b: 掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示了CaSi2納米顆粒(CSN)的大小和形態,大約為500納米。元素映射圖顯示了CaSi2的化學組成。

  • 圖 2c: X射線衍射(XRD)圖譜確認了CaSi2的晶體結構在化學剝離後沒有改變。

  • 圖 2d 和 2e: 圖片展示了CSN包裹在聚羥基烷酸酯(PHA)中的情況,並顯示了將CSN@PHA均勻噴塗在介孔生物活性玻璃(MBG)表面的SEM圖像。

  • 圖 2f: 圖片展示了CSN和CSN@PHA-MBG在PBS溶液中的氫氣釋放曲線。結果顯示CSN@PHA-MBG能持續釋放氫氣長達7天,這對骨再生初期階段的微環境重塑非常有利。


氫氣配合動物實驗


在老年小鼠骨缺損模型中,持續釋放氫氣的支架顯著減少了局部炎症,並促進了衰老細胞的抗炎表型轉化。流式細胞分析顯示,持續釋放氫氣顯著降低了衰老細胞的比例,並促進了巨噬細胞向抗炎表型的轉化,改善了微環境,支持骨缺損的再生。


圖 3: 持續氫氣釋放對老年骨缺損的治療效果
圖 3: 持續氫氣釋放對老年骨缺損的治療效果
  • 圖 3a: 該圖展示了在老年小鼠股骨缺損模型中使用CSN@PHA-MBG支架的治療過程示意圖。

  • 圖 3b 和 3c: 免疫染色圖像顯示了植入部位的巨噬細胞(F4/80標記)的情況,並顯示了炎症標誌物iNOS的降低和抗炎標誌物ARG1的增加,表明氫氣釋放具有顯著的抗炎效果

  • 圖 3d-3k: 流式細胞分析圖顯示了持續氫氣釋放對衰老細胞和巨噬細胞極化的影響。結果顯示,CSN@PHA-MBG顯著降低了衰老細胞比例,並促進了巨噬細胞向抗炎表型的轉化,有助於微環境的改變和骨缺損的再生。


微環境重塑和再生


氫氣釋放支架顯著增加了骨髓間質幹細胞(BMSCs)的募集和抗衰老效果,支持血管生成和骨生成,促進老年骨缺損的再生。這表明,持續釋放氫氣能創造一個有利於組織再生的微環境。


圖 4: 老年骨缺損部位的SASP成分分析
圖 4: 老年骨缺損部位的SASP成分分析
  • 圖 4a: 圖片展示了用於分析老年骨缺損部位細胞因子的實驗設計示意圖。

  • 圖 4b 和 4c: 小鼠細胞因子陣列圖像和量化結果顯示,CSN@PHA-MBG支架顯著下調了典型的SASP成分(如IL-6、IL-1β等),並上調了抗炎因子(如IL-4、IL-10等),以及促進修復和再生的因子。

  • 圖 4d: ELISA測定的細胞因子水平進一步確認了氫氣釋放支架的抗炎和促再生效果,顯示氫氣能顯著調節SASP成分,支持骨再生



氫分子配得支架治療效果


持續釋放氫氣的支架顯著提高了骨生成率,改善了新骨的微結構,並降低了衰老細胞的負擔,顯示出強大的抗骨質疏鬆效應。研究結果表明,這種新型支架不僅能有效修復老年骨缺損,還能改善整體組織健康。


圖 5: 氫氣釋放支架對骨髓間質幹細胞(BMSCs)募集和抗衰老效果
圖 5: 氫氣釋放支架對骨髓間質幹細胞(BMSCs)募集和抗衰老效果
  • 圖 5a 和 5b: 免疫組化染色顯示了在骨缺損部位的BMSCs(LepR標記)的分佈情況。結果顯示,CSN@PHA-MBG支架顯著增加了BMSCs的募集量。

  • 圖 5c 和 5d: 圖片顯示了p16標記的衰老細胞的比例。結果顯示,CSN@PHA-MBG支架顯著降低了BMSCs中的衰老細胞比例。

  • 圖 5e-5h: 流式細胞分析進一步確認了氫氣釋放支架能有效募集BMSCs並防止其衰老,支持骨再生。

  • 圖 5i-5k: 圖片顯示了骨缺損部位的血管生成和骨生成情況。結果表明,CSN@PHA-MBG支架顯著促進了新血管和骨前體細胞的形成,有助於骨再生。


圖 6: 氫氣釋放支架的治療效果
圖 6: 氫氣釋放支架的治療效果
  • 圖 6a 和 6b: 骨形成率標記圖像顯示,CSN@PHA-MBG支架顯著提高了骨形成率。綠色螢光標記(calcein)和紅色螢光標記(alizarin red S)顯示了在第11天和第25天新形成的骨組織。結果表明,CSN@PHA-MBG支架組顯示出明顯的骨生成,顯著高於對照組和僅使用PHA-MBG支架的組。

  • 圖 6c: 組織學圖像展示了不同處理組在第14天和第28天的骨修復情況。結果顯示,對照組存在明顯的纖維組織滲入,骨形成量少。相比之下,CSN@PHA-MBG組顯示出更快且更大量的新骨形成,骨缺損部位被新骨組織填滿。

  • 圖 6d-6g: Synchrotron radiation micro-computed tomography(SRµCT)分析顯示,CSN@PHA-MBG支架顯著提高了骨體積/總體積比(BV/TV),增加了骨小梁數量(Tb.N)和厚度(Tb.Th)。這些結果表明,CSN@PHA-MBG支架在改善新骨微結構方面效果顯著。

  • 圖 6h 和 6i: 免疫染色顯示,CSN@PHA-MBG支架顯著減少了新骨組織中的衰老細胞比例(p16+),並具有抗骨質疏鬆效應。結果顯示,對照組和PHA-MBG組在第28天均有大量p16+細胞,而CSN@PHA-MBG組顯著降低了這些衰老細胞的數量。

  • 圖 6j: 機制示意圖總結了氫氣釋放支架如何通過改造微環境和降低衰老負擔來促進骨再生的過程。持續釋放氫氣能逆轉促炎微環境,通過巨噬細胞的重新極化和減少各類細胞的衰老負擔,創造有利於骨再生的環境,顯著改善老年骨缺損的修復效果。


討論與氫分子未來展望


本研究證實了持續釋放氫氣對於改造衰老微環境和促進骨缺損再生的重要作用,並提出了一種有效的抗衰老治療策略。未來的研究需要進一步探索氫氣釋放的持續時間對骨修復的影響,以及開發更先進的氫氣前體和支架材料。


氫分子對於抗衰老結論


這項研究展示了氫氣在抗衰老和促進骨再生中的巨大潛力,為老年骨缺損的治療提供了新的思路。隨著技術的不斷進步,我們有望在不久的將來看到這種治療方法的臨床應用,改善老年人的生活質量。





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