镁科研：北京大学郭传斌团队研究发现可生物降解镁合金通过巨噬细胞免疫调节促进骨膜下 ...

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原位骨再生和垂直骨增量一直是临床实践中的巨大问题，给患者带来巨大的经济负担和疾病痛苦。

2025年1月24日，北京大学郭传斌、韩建民、戴慧共同通讯在Biomaterials 上在线发表题为“A biodegradable magnesium alloy promotes subperiosteal osteogenesis via interleukin-10-dependent macrophage immunomodulation”的研究论文。该研究在小鼠股骨中植入了MgZnYNd镁合金棒，促进大量骨膜下新骨形成，并调控骨免疫调节。其中，巨噬细胞被吸引到骨膜下新骨区，是骨再生最重要的调节细胞。

骨膜剥离、巨噬细胞耗竭和白细胞介素10（IL-10）阻断有效地减少了MgZnYNd合金诱导的骨膜下成骨。从机制上讲，MgZnYNd合金的降解产物促进了M2巨噬细胞极化和抗炎细胞因子IL-10的分泌，从而通过JAK1-STAT3通路增强了骨膜衍生干细胞（PDSC）的成骨。抗IL-10中和抗体或STAT3抑制剂显著抑制M2巨噬细胞介导的PDSCs成骨分化。转录组学和蛋白质组学显示，骨膜蛋白是PDSCs成骨分化的核心调节因子。此外，作者验证了Mg诱导的骨膜下成骨的临床转化潜力，证明了其能够保持大鼠和兔拔牙后牙槽嵴的高度和宽度。总的来说，上述发现揭示了Mg合金通过巨噬细胞介导的骨免疫调节诱导骨膜下成骨的作用机制，突出了镁合金在骨再生和骨增强中的治疗潜力。

创伤、手术和全身性疾病经常导致不可逆的骨质流失，带来严重的痛苦和相当大的经济压力。钛基金属等传统成骨生物材料缺乏有效的成骨能力，需二次手术去除。基于聚合物的植入物和有机/无机杂化材料具备良好的生物相容性，被广泛用于骨软骨修复。然而，这些材料通常机械强度不足，不适合涉及高机械负载的应用。可生物降解镁（Mg）基金属具备可调控的降解速率、良好的生物相容性、适当的机械强度和显著的成骨潜力等优势，是一种有效的替代材料。

高降解率在一定程度上阻碍了镁基合金的应用。纯化、涂层和合金化都是可以降低镁基金属降解率的方法。在Mg合金中添加锌（Zn）元素可以有效提高机械强度和耐腐蚀性。此外，还可以添加少量稀土元素，如钇（Y）可以提高冲击韧性，钕（Nd）可以调节第二相的性质和形貌，进一步提高耐腐蚀能力。Mg-2.0%Zn-0.5%Y-0.5%Nd显示出良好的耐腐蚀性，并已用于心血管支架的构建。然而，仍需进一步探索Mg基金属是否有助于促进垂直骨量增加和原位骨再生，也需要阐明镁基植入物的降解产物与周围生物组织之间的潜在相互作用机制，这对成骨功效至关重要。

图1 可生物降解镁合金通过巨噬细胞免疫调节促进骨膜下成骨（摘自Biomaterials ）

骨膜衍生干细胞（PDSC）介导的骨膜下成骨是修复骨缺损的重要途径，其骨折修复再生的潜力高于骨髓间充质干细胞（BMSC）。研究证实， Mg基植入物可以促进外周皮质骨背根神经节（DRG）中神经元降钙素基因相关多肽（CGRP）的释放，通PDSCs的成骨分化促进大鼠骨折的愈合。然而，除了神经细胞介导的成骨微环境调节外，微环境中的免疫细胞等许多其他类型的细胞，也可以在调节PDSCs的成骨中发挥重要作用。尚未完全阐明Mg合金降解产物影响PDSCs骨膜下成骨的复杂机制。

成骨和免疫之间的相互作用，特别是在骨膜下区域，对骨再生至关重要。特定的细胞亚群，特别是巨噬细胞，通过分泌骨诱导因子参与生物材料重塑和免疫介导的骨再生。多项研究表明，能够释放Mg²⁺的生物材料可以调节免疫微环境并促进成骨。然而，镁基金属的降解微环境更为复杂，其控制骨免疫微环境（尤其是在PDSCs成骨中）的复杂机制尚未得到充分研究。

图2 MgZnYNd合金诱导骨膜下成骨（摘自Biomaterials ）

该研究的关键假设是MgZnYNd合金可以调节骨免疫微环境和巨噬细胞极化，巨噬细胞分泌有助于PDSC介导的骨膜下成骨的关键细胞因子。该研究通过体内和体外实验全面分析了骨免疫微环境的变化。首先，将合成的MgZnYNd合金植入小鼠股骨中，以探索其对垂直骨增强的影响。随后，作者采用多色流式细胞术和多重免疫荧光染色来识别成骨微环境中的关键调节细胞，并利用多组学方法深入分析相互作用机制。最后，作者探索了MgZnYNd合金的临床转化潜力，研究了其对大鼠和兔子牙槽嵴保留的影响，这是垂直骨增强的典型应用场景。结果表明，镁合金可以通过以巨噬细胞分泌IL-10为中心的先天免疫调节通路，激活骨膜干细胞中的JAK1-STAT3通路和以Periostin为中心的成骨相关基因高表达来促进骨膜下成骨，从而实现垂直骨增强和部位保留。

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