生长板在儿童骨骼纵向生长中起着关键作用。生长板损伤常导致病变部位形成骨桥，进而引发成角畸形或肢体缩短等生长障碍。目前，关于生长板损伤导致骨桥形成的机制尚不完全清楚。以往研究通常将这一过程分为炎症期、纤维化期、成骨期和骨桥成熟修复期，期间伴随严重的缺氧微环境。然而，对其潜在机制的精确阐明仍不完整。本研究整合单细胞测序数据发现，CDK6与生长板损伤后的细胞凋亡密切相关。CDK6促进活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）生成并抑制缺氧诱导因子-2α（Hypoxia-inducible factor-2α, HIF-2α）降解，从而促进肿瘤蛋白p53（Tumor Protein p53, p53）上调并诱导生长板软骨细胞凋亡。为此，研究人员开发了一种由聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol, PVA）、四硼酸钠（Sodium Borate, Na2B4O7）、透明质酸（Hyaluronic Acid, HA）和过氧化镁（Magnesium Peroxide, MgO2）组成的ROS响应性水凝胶系统。该系统包封帕博西尼（Palbociclib）以抑制CDK6，旨在逆转缺氧并阻断软骨细胞凋亡。影像学和组织学分析证实，这种载帕博西尼的水凝胶系统成功重建了生长板结构，减少了肢体长度差异。本研究表明，开发负载帕博西尼的ROS响应性释氧水凝胶，可作为减轻生长板损伤中软骨细胞凋亡的有效治疗策略。
论文解读：纳米过氧化镁与帕博西尼负载水凝胶在生长板修复中的应用
研究背景与意义
生长板作为位于未成年长骨末端的关键软骨组织，其完整性直接决定了儿童的骨骼纵向发育。在临床实践中，涉及骨骺骨折（如Salter-Harris III型、IV型及V型）等生长板损伤极为常见，这类损伤极易诱发局部微血管破裂，导致病灶区域陷入严重的缺氧微环境。这种微环境的改变往往促使病理性骨桥的形成，最终导致肢体缩短或成角畸形，严重影响患儿的生存质量。尽管目前的临床治疗多采用手术切除骨桥并植入填充物的方法，但术后复发率和并发症依然较高。因此，深入探索生长板损伤后骨桥形成的内在分子机制，并开发能够重塑受损微环境、抑制软骨细胞过度凋亡的新型生物材料，已成为骨科组织工程领域亟待攻克的难题。该研究发表于《Materials Today Advances》。
为了探究损伤机制并验证治疗策略，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，研究团队构建了3周龄野生型小鼠的股骨远端生长板损伤模型，以此模拟临床病理过程。其次，利用单细胞RNA测序技术对损伤部位的细胞图谱进行高分辨率解析，锁定了关键的致病基因。在材料学方面，研究人员合成了纳米级过氧化镁，并通过化学接枝与高分子聚合技术制备了负载帕博西尼的双网络复合水凝胶。随后，通过体外细胞实验评估了该水凝胶的生物相容性及抗凋亡功效，并利用显微计算机断层扫描（Micro-CT）和组织学染色等手段，在动物活体层面系统评估了其对骨桥形成的抑制效果及生长板结构的修复能力。
研究结果
骨桥形成与细胞凋亡机制解析
研究人员首先通过体内实验观察到，生长板全层损伤后，病灶区域在伤后7至14天内会迅速形成稳定的病理性骨桥，且矿化率显著升高，这直接限制了骨骼的正常纵向生长。进一步的单细胞测序分析揭示，损伤引发了生长板软骨细胞增殖区的特异性基因表达紊乱。其中，细胞周期蛋白依赖性激酶6（CDK6）和p53的表达显著上调。机制研究表明，CDK6-细胞周期蛋白D1（Cyclin D1）复合物的过表达促进了视网膜母细胞瘤蛋白（Rb）的磷酸化，进而释放E2F1。E2F1不仅直接结合p53启动子触发凋亡程序，还促进NOX4表达以增加ROS生成。过量的ROS抑制了脯氨酰羟化酶，稳定了HIF-2α，使其与p53结合并阻止其降解，从而在细胞内形成了一个正反馈环路，最终导致软骨细胞的过度凋亡。
复合水凝胶的制备与表征
针对上述机制，研究人员设计了一种具有ROS响应性和持续释氧功能的双网络水凝胶系统（PBHM@P）。该体系以聚乙烯醇和四硼酸钠形成的硼酸酯键为第一网络，提供良好的机械强度；引入透明质酸与纳米过氧化镁的复合物作为第二网络。表征结果显示，纳米过氧化镁成功合成并具有特定的晶格间距。当该水凝胶暴露于损伤部位高浓度的ROS环境中时，硼酸酯键断裂实现智能降解，同时过氧化镁与水反应持续释放氧气以改善缺氧。此外，水凝胶还高效负载了CDK6特异性抑制剂帕博西尼，其致密的孔隙结构有利于药物的缓释，且复合材料具备接近天然生长板的力学模量，能够满足局部缺损的支撑需求。
体外细胞实验验证
在体外细胞实验中，研究人员将水凝胶提取物与ATDC5软骨细胞共培养。结果表明，PBHM@P水凝胶具有良好的细胞相容性，未表现出明显的细胞毒性。功能实验证实，单纯依赖过氧化镁释放氧气来改善缺氧，虽能部分降低HIF-2α和p53水平，但无法完全阻断凋亡进程。而负载了帕博西尼的PBHM@P组则表现出了卓越的治疗效果：它不仅能通过释氧打破ROS-HIF-2α正反馈环路，还能特异性抑制CDK6及其下游信号，从而最大程度地维持软骨细胞的存活率，恢复其软骨形成能力与伤口愈合能力。
体内修复效果评估
在小鼠生长板损伤模型中，植入PBHM@P水凝胶的治疗组展现出了显著的修复效果。免疫荧光检测显示，治疗组损伤区域的HIF-2α、ROS、CDK6及凋亡标志物TUNEL的表达均大幅下调。显微CT三维重建图像直观地表明，对照组出现了贯穿生长板的巨大骨桥，而治疗组的骨桥形成被显著抑制，且未完全阻断生长板。更重要的是，治疗组小鼠的股骨长度与假手术组相当，成功避免了因骨桥形成导致的肢体短缩畸形，实现了生长板解剖结构与生理功能的双重重建。
讨论与结论
讨论部分指出，传统的组织工程支架往往难以兼顾机械支撑与微环境调控，而本研究开发的复合水凝胶巧妙地利用了“物理释氧”与“化学靶向抑制”的双重协同机制。它不仅解决了损伤区缺氧这一物理难题，还精准切断了CDK6介导的细胞凋亡信号通路。这种多层次、多维度的干预策略，克服了单一疗法效果不佳的局限，为生长板损伤的再生医学提供了新的范式。
综上所述，研究人员成功开发了一种负载纳米过氧化镁与帕博西尼的ROS响应性水凝胶系统。该系统通过硼酸酯键实现对微环境中ROS的感知与响应，利用过氧化镁分解释放氧气以缓解软骨细胞缺氧，同时释放帕博西尼靶向抑制CDK6，有效阻断了p53介导的细胞凋亡级联反应。体内外实验均证实，该策略能够显著抑制骨桥形成，促进生长板结构的重建，为生长板损伤的临床治疗提供了一种极具潜力的新型生物材料方案。
