近日，中国解放军总医院第一医学中心骨科研究所、北京骨科再生医学重点实验室、肌肉骨骼创伤与战伤重点实验室郭全义主任团队的研究成果《Orchestration of Pathological Osteoclast-Chondrocyte Communication via Acid-Responsive Nanotherapeutics for Articular Cartilage Regeneration》（通过酸响应性纳米治疗药物调控病理性破骨细胞- 软骨细胞通讯以实现关节软骨再生）发表于学术期刊《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》（IF=18.173；JCR 一区）。锐视科技超高分辨率·离活一体Micro CT（IMAGING 100）在本研究中用于对骨缺损部位的骨组织修复情况进行精准评估。

病理性软骨下骨重塑（以破骨细胞异常生成为特征）会破坏骨软骨稳态，加剧软骨退变。研究发现，在大鼠软骨缺损模型中，病理性破骨细胞生成与氧化应激动态变化密切相关。基于此，研究者设计了CeO₂@ZIF-8 纳米治疗系统，通过清除活性氧（ROS）和抑制病理性破骨细胞生成，减轻炎症并缓解软骨退变。该系统将氧化铈纳米颗粒（CeO₂）包裹于具有 pH 响应性的沸石咪唑酯骨架 - 8（ZIF-8）中，可在酸性骨软骨微环境中可控释放。体内外实验证实，CeO₂@ZIF-8 能减少破骨细胞生成、降低 Il-1b 表达、升高 Spp1 水平，从而促进软骨再生。多组学分析表明，CeO₂@ZIF-8 处理的破骨细胞上清液通过 PI3K-PKCs-ERK1/2-Cyp1a1 轴保护软骨细胞，维持其表型并抑制凋亡。该研究证实了通过纳米酶介导的破骨细胞重编程靶向调控破骨细胞-软骨细胞通讯的可行性，为组织再生提供了机制参考。

为探究酸响应性纳米治疗系统CeO₂@ZIF-8 在关节软骨再生中的作用，研究采用了一系列系统的实验方法。首先构建了大鼠股骨滑车骨软骨缺损模型，将大鼠分为假手术组及术后不同时间组，以观察骨软骨单元的病理变化，同时在体内治疗实验中设置缺损组、GelMA 水凝胶组、CeO₂@Gel 组和 CZ@Gel 组，于术后 6 周和 12 周评估修复效果。在材料制备与表征方面，合成了 CeO₂纳米颗粒及 CeO₂@ZIF-8 复合材料，借助扫描电镜、透射电镜、X 射线衍射、X 射线光电子能谱等技术分析其结构、粒径、表面电荷及成分，并检测了材料在中性和酸性环境中的释放行为及抗氧化活性。细胞实验中，体外培养大鼠骨髓来源单核细胞和软骨细胞，通过 CCK-8 法检测细胞毒性，EdU 实验评估细胞增殖，利用 TRAP 染色、F - 肌动蛋白染色评估破骨细胞生成，骨吸收实验检测破骨细胞活性，还通过免疫荧光、qPCR、Western blot 分析细胞表型、炎症因子及相关信号通路变化。体内评估则结合显微 CT 分析软骨下骨修复指标，通过组织学染色及免疫组化评估软骨再生，并结合 ICRS 和 Mankin 评分量化修复效果。此外，还运用单细胞测序、蛋白质组学和转录组学等多组学分析方法，鉴定破骨细胞 - 软骨细胞通讯的关键分子及相关通路。

实验结果清晰展现了CeO₂@ZIF-8 纳米治疗系统在骨软骨修复中的显著作用。在病理机制层面，大鼠骨软骨缺损模型显示，术后破骨细胞数量随时间增加，2 周时达到峰值（为 1 天的 11.7 倍），同时关节内微环境酸化（pH 降至 6.0），氧化应激标志物（MDA、8-OHdG、4-HNE）水平显著升高，且三者呈正相关，形成恶性循环。材料性能方面，CeO₂@ZIF-8 呈多面体结构，粒径约 169.76nm，在酸性环境（pH6.0）中可持续释放 CeO₂，抗氧化活性优于单纯 CeO₂，能更快清除 H₂O₂、生成更多 O₂，并有效清除・O₂⁻和・OH。细胞实验表明，浓度≤75μg/mL 的 CeO₂@ZIF-8 无细胞毒性，可减少 H₂O₂诱导的 ROS 水平（降低 62.6%），显著抑制破骨细胞生成（较 H₂O₂组减少 81.6%），下调促炎因子（Il-1b、Tnf-α），其处理的破骨细胞上清液能激活软骨细胞 PI3K-PKCs-ERK1/2 通路，增加 ATP 水平和 NADP⁺/NADPH 比率，减少凋亡（降低 76.8%），并上调软骨表型标志物（SOX9、COL2）。体内实验中，CZ@Gel 组术后 6 周和 12 周的软骨下骨 BV/TV、BMD 显著高于其他组，骨小梁结构更完整；再生软骨的 GAG 含量、COL2 表达更高，ICRS 评分（3.2±0.5）显著高于对照组（1.1±0.3），Mankin 评分更低，且无器官毒性。多组学分析发现，破骨细胞 - 软骨细胞通讯以 Spp1-CD44 为主要信号轴，CeO₂@ZIF-8 处理的破骨细胞上清中 Spp1 升高（15.4ng/mL vs 1.32ng/mL）、Il-1b 降低，通过调控能量代谢和抗凋亡通路保护软骨细胞。

图5 术后 6 周和 12 周修复区域的结构。

红色圆圈标示缺损部位。术后 6 周和 12 周缺损部位骨体积分数（BV/TV）（C）和骨密度（BMD）（D）的统计分析（n=6）。术后 6 周和 12 周缺损部位骨小梁数量（Tb.N）（E）和骨小梁分离度（Tb.Sp）（F）的统计分析（n=6）。术后 6 周和 12 周缺损部位国际软骨修复协会（ICRS）评分（G）和 Mankin 评分（H）的统计分析（n=6）。I–K）术后 6 周和 12 周修复区域的 HE 染色、番红 O - 快绿染色及 Ⅱ 型胶原蛋白（COL2）免疫组织化学染色（D：缺损区域；N：正常软骨）。数据以均数 ± 标准差（SD）表示（*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001；ns 表示无显著性差异，p≥0.05）。

在骨软骨缺损过程中，病理性破骨细胞生成与氧化应激形成恶性循环，而酸性微环境会进一步加剧这一过程，最终导致软骨退变。该研究基于此开发的CeO₂@ZIF-8 纳米治疗系统展现出显著的治疗潜力，其凭借 pH 响应性释放特性，能在酸性骨软骨微环境中精准释放 CeO₂，通过高效清除 ROS 抑制破骨细胞异常活化，减少炎症因子分泌。同时，该系统可上调破骨细胞分泌的 Spp1，通过激活 PI3K-PKCs-ERK1/2-Cyp1a1 信号轴，改善软骨细胞的能量代谢和抗凋亡能力，维持软骨细胞表型，从而促进软骨再生。这一研究证实了通过纳米酶介导的破骨细胞重编程靶向调控破骨细胞 - 软骨细胞通讯的可行性，为关节软骨再生提供了新的治疗策略，具有重要的临床转化价值。