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  骨整合對于種植牙等永久性植入物發揮著至關重要的作用。這一過程主要取決于成骨細胞在植入物表面的初始黏附，這些細胞分泌的細胞外基質（ECM）對新骨的重塑和礦化至關重要。然而在植入過程中，異物反應引發的傷口愈合反應或由于患者個體差異導致局部組織愈合微環境遭到破壞時，成纖維細胞可能會被募集到植入物附近區域。這會導致纖維包膜的形成，抑制成骨細胞在植入物表面的定植，從而增加骨整合失敗的可能性。此外，骨整合受損和纖維包膜的形成會導致植入物松動，并增加植入物-組織界面處細菌生物膜相關感染的風險，最終致使植入物失效。目前，促進成骨細胞黏附和骨整合的策略主要有兩種：改變植入物表面形貌，以及用細胞外基質衍生的細胞黏附肽KRSR、RGD等生物活性分子修飾表面。然而，這些策略無法實現理想的成骨細胞選擇性黏附和最佳的骨整合效果。大多數現有策略雖能促進成骨細胞黏附，但缺乏對成骨細胞和成纖維細胞的選擇性。雖然 KRSR 肽可促進成骨細胞的選擇性黏附，但其存在天然肽的常見缺點，如易被蛋白酶水解、大規模合成困難且成本高昂。因此，開發能夠選擇性促進成骨細胞黏附而非成纖維細胞黏附的生物材料和植入物涂層，對于改善骨整合至關重要。

  近日，華東理工大學劉潤輝教授課題組設計和發現了一種新的聚合物策略，實現了成骨細胞和成纖維細胞的顯著選擇性和優異的促骨整合功能。成骨細胞和成纖維細胞因其細胞類型和功能不同，表現出不同的黏附行為，這意味著通過調整表面化學成分和蛋白質吸附來開發成骨細胞選擇性生物活性分子具有可行性。β-氨基酸聚合物有望應用于生物材料領域，因為其主鏈本質上模擬蛋白質，并且克服了細胞外基質衍生肽的缺點，具有出色的抗蛋白酶水解穩定性、易于大規模合成且成本低廉。該研究使用一系列具有不同組成、可調節正電荷和兩親性的兩親性β-氨基酸聚合物（圖1），探究成骨細胞與成纖維細胞之間的選擇性。值得注意的是，他們觀察到這些聚合物對蛋白質的吸附具有可調節性，并確定了一種最優聚合物MM₅₀CH₅₀，其在體外表現出理想的成骨細胞選擇性黏附，在大鼠口腔植入模型中具有強大的體內骨整合能力，優于細胞黏附的金標準 RGD和成骨細胞選擇性肽KRSR。成骨細胞選擇性β-氨基酸聚合物的這些優勢及其結構多樣性，使這一設計成為一種有前景且有效的策略，用于開發在骨整合早期階段增強牙科或骨科手術中植入物骨整合、預防無菌性松動的生物材料。

  2025年8月5日，該研究成果以“Promoting implant osseointegration via the osteoblast-selective β-amino acid polymer strategy”為題發表在Nature Communications上（Nat. Commun. 2025, DOI: 10.1038/s41467-025-58394-1）。

圖1. 具有成骨細胞選擇性的β-氨基酸聚合物高通量篩選

  為揭示細胞選擇性黏附機制，并深入了解在非選擇性條件下成骨細胞和成纖維細胞黏附行為及細胞內事件的差異，對在RGD表面培養的細胞進行RNA測序（RNA-seq）。他們發現一些基因（如 Diaph3、Baiap2、Enah、Wasl、Arpc4、Arpc5、Arpc5l、Cyfip2、Brk1和Tmsb4x）在成骨細胞中的表達水平高于成纖維細胞，且它們均分別參與與絲狀偽足和片狀偽足形成相關的Cdc42到Arp2/3通路以及Rac到Arp2/3通路（圖2）。此外，由于肌球蛋白輕鏈（MLC）的激活，成骨細胞中肌動球蛋白應力纖維的形成也得到促進（圖2）。對于成纖維細胞，一些基因（PtK2、Bcar1、Crk、Src、Vcl、Actn1、Actn4、Pikfyve、Pip5k1c 和 Pip5k1a）的表達水平高于成骨細胞，且它們均位于與黏著斑和F-肌動蛋白形成相關的通路中。

圖2. 成纖維細胞和成骨細胞在RGD表面黏附的RNA-seq分析

  他們推測成骨細胞形成更多的絲狀偽足和片狀偽足以促進黏附和鋪展，而成纖維細胞可能依賴更多的黏著斑和應力纖維來實現成熟黏附。片狀偽足和絲狀偽足通常出現在細胞初始黏附或遷移階段，而黏著斑的形成依賴于整合素的聚集。他們進一步檢測了Lamin A/C（一種響應機械信號的核心核纖層成分）和整合素β1（參與細胞黏附和機械轉導，其組裝表明與RGD的結合增加）的表達。結果表明，與成骨細胞相比，成纖維細胞具有更強的細胞內力，這可能是由于成纖維細胞的應力纖維數量更多，并且它們依賴更多的RGD結合位點來平衡這些纖維束的收縮力。

圖3. 優選聚合物表面成骨細胞選擇性黏附的機理研究

  進一步的，他們通過EDTA阻斷實驗和調控RGD密度的相關實驗發現成纖維細胞和成骨細胞具有不同的黏附機制。成纖維細胞的應力纖維更多，其細胞內力比成骨細胞更強，這導致它們對表面RGD密度的反應不同，即成纖維細胞的黏附和鋪展相比成骨細胞需要更高密度的RGD。這一點在MM₅₀CH₅₀表面成纖維細胞中Lamin A/C和整合素β1的表達明顯低于RGD表面的觀察結果中得到了印證。成骨細胞選擇性的MM₅₀CH₅₀表面通過調控吸附的血清蛋白（包括細胞黏附蛋白（如FN）和BSA），使其呈現出比非選擇性表面更少的暴露RGD，從而有利于成骨細胞黏附，而不利于成纖維細胞黏附。因此，細胞黏附蛋白和BSA都對MM₅₀CH₅₀的成骨細胞選擇性黏附有重要貢獻。

圖4. 成纖維細胞和成骨細胞在優選聚合物表面黏附的RNA-seq分析

  為了進一步探究MM₅₀CH₅₀對成骨細胞選擇性黏附的潛在機制，他們采用RNA-seq分析MM₅₀CH₅₀表面上成骨細胞與成纖維細胞在細胞黏附方面的差異。發現與絲狀偽足和片狀偽足形成相關的基因在成骨細胞中的表達水平高于成纖維細胞。層次聚類分析和火山圖結果顯示，在MM₅₀CH₅₀表面，成骨細胞中與驅動絲狀偽足和片狀偽足形成相關的基因（如 Wasl、Diaph3、Enah 和 Baiap2）相較于在 RGD 表面出現上調（圖4）。為了評估片狀偽足和絲狀偽足是否促進成骨細胞黏附，他們使用了針對肌動蛋白成核因子的小分子抑制劑，包括 NSC23766（Rac 抑制劑）、CK666（Arp2/3 抑制劑）和 SMIFH2（Formin 抑制劑）來處理人原代成骨細胞（圖5）。與 RNA 測序分析結果一致，抑制片狀偽足或絲狀偽足的形成會導致細胞在MM₅₀CH₅₀表面的鋪展面積減小（圖5），這表明在表面吸附的血清蛋白中暴露的RGD相對低密度的情況下，基于偽足的黏附可能是促進成骨細胞黏附和鋪展的主要途徑。

圖5. 使用不同小分子抑制劑觀察成骨細胞和成纖維細胞在RGD和優選聚合物表面的黏附形態

  為了全面了解成骨細胞選擇性的機制，他們繼續使用小分子抑制劑探究細胞內力和應力纖維對細胞黏附和鋪展的影響。這些抑制劑用于調節人原代成骨細胞和人原代成纖維細胞中基于肌動球蛋白的收縮性，其中包括 Blebbistatin（一種肌球蛋白 II 抑制劑）、Calyculin A（一種促進肌球蛋白收縮的磷酸酶抑制劑）和Y - 27632（一種阻止應力纖維形成的ROCK抑制劑）。結果顯示，Blebbistatin處理并未明顯改變成骨細胞的鋪展面積（圖5），但顯著增加了MM₅₀CH₅₀表面成纖維細胞的鋪展面積，這支持了降低成纖維細胞的細胞內力將促進其在暴露RGD基序較少的聚合物表面黏附的假設（圖5）。Calyculin A處理會增加肌球蛋白II 的活性和細胞內力，導致MM₅₀CH₅₀表面的成骨細胞和成纖維細胞的鋪展面積均顯著減小（圖5），這與前面提到的結論相呼應，即由于MM₅₀CH₅₀表面吸附蛋白暴露的 RGD 基序不足，無法結合整合素并平衡細胞內力的增加，從而損害了細胞鋪展。

圖6. 成骨細胞和成纖維細胞的優選聚合物表面的增殖、遷移和共培養

  為了評估成骨細胞選擇性β-氨基酸聚合物MM₅₀CH₅₀的功能，他們研究了成骨細胞在MM₅₀CH₅₀表面的生長、遷移和成骨細胞與成纖維細胞的共培養行為。結果表面優選聚合物具有良好的促成骨細胞增殖、遷移和優異的體外選擇性黏附效果。

圖7. 體內骨整合效果

  由于牙科植入物位于口腔內，植入物的早期骨整合和預防無菌性松動至關重要。因此，他們選擇SD大鼠口腔植入模型進行概念驗證，以進一步探究成骨細胞選擇性β-氨基酸聚合物MM₅₀CH₅₀的潛在應用。植入8周后，MM₅₀CH₅₀修飾的鈦螺釘界面與周圍骨組織直接接觸，實現了良好的整合（BIC%為 85.5%±7.1%）；而未涂層的鈦螺釘，新骨與界面之間存在纖維結締組織（BIC%為32.8%±10.5%），這阻礙了骨整合。無選擇性的聚合物、RGD和KRSR修飾的鈦螺釘的BIC%分別為60.5%±7.8%、53.8%±10.5%和42.3%±7.0%，介于MM₅₀CH₅₀修飾的鈦螺釘和未涂層組之間（圖7b）。在其他研究中，最佳組的BIC% 通常在50-70%之間。三維Micro-CT圖像反映的結果與組織學染色分析一致（圖7c）。MM₅₀CH₅₀修飾的鈦植入物周圍的骨體積/總體積（BV/TV）值、骨小梁數量（Tb.N）和骨小梁厚度（Tb.Th）通常高于未涂層的鈦螺釘；而MM₅₀CH₅₀修飾的鈦植入物周圍的骨表面/骨體積（BS/BV）和骨小梁間距（Tb.Sp）則低于未涂層的鈦螺釘（圖7）。這些觀察結果表明，MM₅₀CH₅₀修飾的鈦植入物得益于MM₅₀CH₅₀對成骨細胞與成纖維細胞的選擇性，在體內與周圍骨組織實現了良好的整合，這與體外實驗中其對成骨細胞的選擇性表現一致。

  華東理工大學陳琦特聘副研究員是該論文的第一作者，劉潤輝教授為通訊作者。該研究得到了國家科學基金委等基金資助。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58394-1