文献解读
项目文章|动态蛋白晕在体内磁性纳米颗粒（MNP）渗透骨再生支架中免疫调节成骨作用的影响-Nanoscale-201903
骨愈合是一个高度复杂和动态的过程，包括四个连续步骤：炎症，软愈伤组织形成，硬愈伤组织形成和骨骼重塑。创伤后的宿主炎症反应以及相应的免疫反应强烈影响骨愈合过程。先前的研究认为炎症对骨骼的合成和重塑有很大的阻碍，因为不适当的免疫反应可能导致慢性炎症，甚至导致纤维囊的形成和植入物的无菌性松动。然而，有研究表明，宿主对植入物的免疫反应可能会促进新的骨形成和植入物整合。另有研究表明磁化后的超顺磁性支架调节了巨噬细胞的功能，从而增强了内皮细胞的血管生成和成骨细胞的成骨作用。尽管已经初步证明了对骨替代材料的免疫反应的调节可能会增强骨组织的再生，但对潜在的机制仍知之甚少。羟基磷灰石（HA）是整形外科应用中最常用的骨替代支架。在HA支架中添加磁性纳米颗粒（MNP），受益于内在的纳米级磁场，可以显著加速骨再生。在这项研究中，磁性羟基磷灰石（MHA）支架被选作潜在的骨替代物，而HA支架被用作对照。系统地比较了体内MHA和HA支架之间蛋白质晕的组成和动态性质（Scheme1）。
目的：炎症反应可启动骨折愈合，并直接影响磁性羟基磷灰石（MHA）支架的骨诱导作用，但其潜在机制尚待阐明。作者开发了一种简单有效的MHA支架蛋白晕体内动力学模型，以预测炎症反应与骨伤口愈合之间的相关性，以及控制该过程的基本机制。
材料：羟基磷灰石, MC3T3-E1细胞, 胎牛血清，SD大鼠
实验：在体内动态蛋白电晕研究中，作者将材料植入体内后，植入的支架与大分子相互作用，尤其是蛋白质相互作用，导致形成复杂的蛋白晕。然后，通过SDS-PAGE进行分析检查了与HA和MHA支架相关的蛋白电晕的形成。为了获得体内形成的蛋白电晕的时间依赖性研究，根据免疫介导的骨组织愈合过程，MHA和HA支架分别植入大鼠股骨中15分钟，1小时，24小时，7天和14天。从Fig.3B可以看出，HA和MHA支架的电晕中都富集了18.4和66.2kDa之间的蛋白质。但是，HA和MHA支架吸附蛋白的丰度不同。植入时间的变化对蛋白质电晕的组成和能带强度有重要影响，其中相应的吸附曲线随植入时间从15分钟延长到14天而增加（Fig.3A）。
为了探究免疫反应与伤口愈合之间的关系，作者对HA和MHA支架的体内蛋白质吸附情况通过LC-MS/MS进行了定量和定性分析。Fig.4A-B中的维恩图显示了分别在不同时间点（15分钟，1小时，24小时，7天和14天）在HA和MHA支架的电晕中发现的常见和独特蛋白质的数量。吸附的蛋白质数量随着植入时间的增加而增加。对于HA和MHA支架，分别在不同的植入时间下共有36和33个蛋白质是共有的。然后发现有25种蛋白重叠，KEGG分析发现这些蛋白主要富集（p <0.01）在氮代谢，核黄素代谢以及补体系统途径，这可能表明氮代谢，核黄素代谢信号途径，补体和凝血级联可能参与蛋白质电晕介导的成骨过程（Fig.4D）。
作者把研究主要集中在补体和凝血级联的作用上，分析了在任何给定时间吸附在HA和MHA支架上的与免疫和炎症相关的蛋白质（Fig.5A），发现在炎症、免疫反应和成骨之间也发现了类似的趋势。这些蛋白质与骨骼和伤口愈合相关的吸附蛋白（Fig.5B）具有与免疫和炎症相关的蛋白质相同的模式，在最初的7天中，该水平随时间增加，然后趋于稳定，预计HA支架会略有增加在后期阶段（14天）。此外，在1h至14d的时间范围内，MHA支架上形成的与免疫和炎症相关的蛋白质多于HA支架上的蛋白质。MHA支架上吸附的与免疫和炎症相关的蛋白质的量分别是24 h和7 d在HA上发现的那些的2.1倍，1.4倍（Fig.5C）。此外，MHA的调节作用也很突出，在24 h和7 d内，与HA相比，MHA支架具有与骨骼和伤口愈合相关的蛋白质高得多（Fig.5D）。与免疫和炎症有关的蛋白质的变化趋势与骨骼和伤口愈合有关的蛋白质一致，表明了骨修复与炎症的关系。两者结果表明，炎症和免疫反应与骨骼愈合之间可能存在固有的相互作用，其中高炎症和免疫反应似乎可以增强骨骼愈合过程。
然后，根据骨愈合过程，将所有日冕中的蛋白质进一步分为四类，包括与细胞外基质，细胞行为，代谢过程和信号有关的蛋白质（Fig.6A-D和表）。随着培养时间的增加，与细胞外基质有关的蛋白质水平也增加。正如预期，在MHA支架上形成的更多的细胞外基质蛋白大于在HA支架上的那些（Fig.6A）。MHA支架上与细胞行为和信号相关的吸附蛋白水平在第7天迅速增加到峰值，而HA支架水平直到第14天仍增加，这表明MHA支架的存在对吸附的蛋白产生了一定的影响（Fig.6B和6D）。实验结果进一步证实，与骨再生中至关重要的信号通路相关的蛋白质（包括BMP/TGF家族介导的SMAD通路，MAPK，Notch，Wnt信号通路）在MHA支架上富集。还应注意的是，对于HA和MHA支架，与代谢过程相关的蛋白质在蛋白晕中均高度富集（约占检测到的蛋白质的40％），但含量没有显着差异（Fig.6C），可能是由于骨折修复过程是合成代谢（骨形成）和分解代谢（骨吸收）之间的动态平衡这一事实。
结论：在体内骨骼修复模型下在骨骼修复支架上形成的动态蛋白晕在急性炎症（即免疫反应）以及最终的骨伤口愈合中起重要作用。上调的免疫应答与骨伤口愈合的显著增强密切相关，这与骨和伤口愈合以及免疫和炎症相关蛋白的吸附的上调明显证明了这一点。急性炎症信号导致免疫细胞局部增加，进而释放因子和细胞因子，这些因子和细胞因子在调节细胞外基质重塑，调节细胞行为和触发下游生物学信号中至关重要。当前的研究构成了超顺磁性支架生物材料发展的基础，探索了免疫应答在组织修复中的作用及其与磁性支架设计的潜在相关性。