多功能纳米复合水凝胶通过双向调控糖酵解促进2型糖尿病骨折愈合的机制研究

为解决2型糖尿病(T2D)患者骨折愈合障碍问题，华中科技大学同济医学院团队开发了负载靶向纳米颗粒的PN@MHV水凝胶系统。该研究通过调控HIF-1α介导的糖酵解通路，双向增强骨髓间充质干细胞(BMSCs)成骨分化并抑制巨噬细胞M1极化，显著改善T2D小鼠骨折微环境并加速骨愈合，为糖尿病骨折治疗提供了新型代谢干预策略。

　　

在2型糖尿病(T2D)患者中，骨折愈合障碍是临床面临的重大挑战。高血糖环境导致骨折部位持续炎症反应和成骨细胞分化缺陷，其核心机制与细胞糖代谢异常密切相关。既往研究发现，骨髓间充质干细胞(BMSCs)在糖尿病环境中糖酵解受抑制，而促炎性M1巨噬细胞糖酵解却异常活跃，这种代谢失衡状态尚未得到有效干预。更关键的是，现有治疗策略多局限于单向调节单一细胞类型的糖酵解过程，忽视了不同细胞群体间复杂的代谢互作网络。

华中科技大学同济医学院的研究团队在《Bioactive Materials》发表的研究中，创新性地构建了PN@MHV多功能纳米复合水凝胶系统。该系统通过将杨梅苷(MYT)与苯硼酸修饰的透明质酸(HA-PBA)、聚乙烯醇(PVA)交联形成水凝胶基质，并负载叶酸靶向的PX-478纳米颗粒(PN)，实现了对BMSCs和巨噬细胞糖酵解的双向精准调控。研究发现，该水凝胶能显著促进T2D骨折模型中的骨痂形成和矿化，将骨折愈合时间缩短约30%，为糖尿病骨折治疗提供了全新的代谢干预策略。

研究采用单细胞RNA测序分析糖尿病骨髓微环境，构建T2D小鼠骨折模型进行体内验证，结合纳米颗粒靶向递送、水凝胶力学性能测试等关键技术。通过免疫荧光染色、流式细胞术等手段评估细胞代谢状态和极化表型，并采用micro-CT和组织学分析骨再生效果。

研究结果揭示：
3.1 糖尿病影响骨髓微环境中BMSCs和巨噬细胞的糖代谢功能
单细胞测序显示T2D小鼠BMSCs中HIF1A和SLC2A1基因表达下调，而巨噬细胞中显著上调，提示细胞特异性糖酵解紊乱。

3.2 T2D骨折愈合过程中BMSCs和巨噬细胞糖酵解异常
免疫荧光证实T2D骨折部位BMSCs数量减少且HIF-1α/GLUT1表达降低，而M1巨噬细胞(F4/80⁺iNOS⁺)浸润增加并伴随HIF-1α/GLUT1过表达。

3.3 MYT缓解高糖环境对BMSCs糖酵解的抑制
MYT(50μg/mL)可逆转高糖(HG)导致的HIF-1α/GLUT1表达下降，恢复HKII、PFK1等糖酵解关键酶活性，使BMSCs糖酵解ATP产量提升2.1倍。

3.4 MYT通过增强糖酵解促进HG环境下成骨分化
ALP和茜素红染色显示MYT使BMSCs矿化结节形成增加3.5倍，而糖酵解抑制剂2-DG可完全阻断该效应，证实糖酵解是成骨分化的关键代谢开关。

3.5 PN@MHV水凝胶的制备与表征
TEM显示叶酸修饰的PX-478纳米颗粒(PN)粒径80-200nm，FT-IR证实MYT与HA-PBA/PVA通过氢键交联。水凝胶压缩模量达15kPa，48小时溶胀率达3617%。

3.7 水凝胶通过HIF-1α促进BMSCs成骨分化
PN@MHV处理使BMSCs的RUNX2表达提高2.3倍，OCN基因表达上调4.1倍，且纳米颗粒非特异性摄取不影响BMSCs代谢。

3.8 水凝胶靶向抑制巨噬细胞糖酵解发挥抗炎作用
流式检测显示PN@MHV使M1标志物CD86⁺细胞比例降低62%，同时M2标志物CD206⁺细胞增加3.8倍，TNF-α分泌减少75%。

3.9 水凝胶促进T2D小鼠骨折愈合
micro-CT定量显示PN@MHV组第14天骨体积分数(BV/TV)较T2D对照组提高2.1倍，Masson染色显示胶原沉积增加3倍。

该研究的突破性在于首次提出"代谢微环境重塑"的治疗理念，通过单一载体实现不同细胞群体的差异化代谢调控。PN@MHV水凝胶不仅解决了传统治疗无法兼顾促骨生成与抗炎需求的矛盾，其葡萄糖响应性的HA-PBA基质更为糖尿病伤口局部给药提供了理想平台。研究揭示了HIF-1α在糖尿病骨代谢紊乱中的核心地位，为开发新型代谢干预药物提供了重要靶点。未来可进一步探索该水凝胶系统在糖尿病牙周骨缺损、关节置换等场景的应用价值。