浙江大学AM：PCET启发的纳米颗粒通过配对质子-电子递送恢复线粒体电子传递并再生衰老骨骼
时间：2026-07-28 21:08:25 热度：37.1℃ 作者：网络
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背景介绍
老龄化导致骨折愈合延迟和骨再生失败，主要源于骨髓间充质干细胞（BMSCs）活性下降——其高度依赖于干细胞与免疫细胞间的相互作用。衰老过程中，BMSCs自我更新和成骨潜能降低，而免疫细胞持续活化并分泌大量促炎细胞因子，损害骨再生。线粒体功能障碍是这一过程的关键因素：衰老损害电子传递链（ETC）功能，降低ATP合成效率并增加ROS积累，形成细胞衰退的恶性循环。目前干预策略主要聚焦于抗氧化清除ROS、激活线粒体自噬和线粒体移植，但直接提供配对质子/电子等价物以支持线粒体生物能量恢复的策略仍十分匮乏，限制了老龄化骨缺损的有效治疗。
研究思路
针对上述挑战，浙江大学医学院附属第二医院骨科院章增杰教授、叶招明教授和张宁教授团队联合中国医学科学院放射医学研究所刘伦涛教授团队基于ETC的质子耦合电子转移（PCET）机制，开发了一种可注射、pH响应、骨靶向的线粒体氢化纳米系统（EMHS）。该系统将HxMoO3封装于脂质体中，表面修饰双膦酸盐赋予骨靶向能力，并利用PEOz实现酸响应释放。HxMoO3通过PCET机制向线粒体配对递送质子和电子——实验证实其可将CoQ10还原为CoQ10p，且循环伏安和紫外-可见光谱均支持这一机制。EMHS递送的活性氢支持ETC相关线粒体生物能量恢复，增强氧化磷酸化能力，降低线粒体ROS，扩大功能性线粒体池——在总线粒体数量不变的情况下，健康线粒体比例增加90.36%。EMHS恢复了衰老BMSCs的成骨潜能，增强内皮细胞血管生成能力，并将中性粒细胞偏向促修复表型。在老年小鼠骨缺损模型中，EMHS优先富集于骨骼并通过骨-血管耦合再生促进骨愈合。相关内容以PCET-Inspired Nanoparticles Enable Paired Proton-Electron Delivery to Restore Mitochondrial Electron Transport and Regenerate Bone During Aging发表在Advanced Materials！
图片解析
图1. EMHS通过配对质子-电子递送恢复线粒体功能治疗老年小鼠骨缺损的机制示意图：EMHS通过配对递送质子和电子支持线粒体生物能量恢复，恢复功能性线粒体池平衡，从而 rejuvenate 衰老BMSCs、驱动中性粒细胞向修复表型转化、促进血管重塑，最终实现老年骨修复。
图2. 衰老相关受损线粒体积累损害骨再生：(A-C) 8周龄年轻和18月龄老年小鼠股骨髁缺损模型4周后μCT及定量分析，老年组BV/TV减少约63%、Tb.N减少约55%。(D) 单细胞分析显示老年组炎症相关通路上调。(E-F) SA-β-gal染色显示老年BMSCs衰老阳性细胞增加约3倍。(G) MitoTracker Red CMXRos染色显示老年组线粒体肿胀、碎片化和形态紊乱。(H-I) TMRE/MTG双染显示老年组TMRE/MTG比值显著降低，表明受损线粒体积累。(J-M) TEM显示老年组线粒体嵴破裂、空泡化和肿胀，线粒体长度减少，总数量增加，受损比例升高。(N-O) 相关性分析显示老年组受损线粒体数量与比例呈显著正相关。(P-R) DCFH-DA染色和ELISA显示老年组ROS水平升高，IL-6和TNF-α分泌增加。
图3. EMHS的合成与物理表征：(A) EMHS实现骨靶向递送、酸触发活性氢释放及线粒体进入的示意图。(B) TEM显示EMHS定位于细胞线粒体区域（标尺100 nm）。(C-F) HxMoO3、LNPs、B-P-LNPs和EMHS的TEM图像（标尺100 nm）。(G-J) 相应的粒径分布，EMHS约167 nm。(K-L) HxMoO3在8M pSO4和PBS中的循环伏安图。(M-N) UV-vis-NIR吸收光谱和HRMS分析证实HxMoO3介导CoQ10还原为CoQ10p。(O) HxMoO3、LNPs、B-P-LNPs和EMHS的zeta电位。(P) EMHS在不同pH条件下的酸响应释放曲线，pH 5.5下30 min释放>75%。(Q-R) IVIS成像及定量分析显示B-P-LNPs在骨骼中显著富集。(S-T) B-P-LNPs的时间-浓度曲线显示2 h即可检测到骨积累，48 h仍显著。
图4. EMHS共同递送质子和电子恢复线粒体功能和平衡：(A) EMHS介导配对质子/电子递送支持ETC相关线粒体生物能量恢复的示意图。(B) ETC复合体亚基基因热图（Ndufb4b、Ndufaf5、Cox6a2等）在EMHS组中显著上调。(C-D) GSEA显示EMHS组氧化磷酸化和TCA循环通路显著富集。(E-F) EMHS组ATP和NAD+水平分别恢复至对照组的89.78%和2.08倍。(G,K) JC-1染色及定量显示EMHS组红/绿比值较衰老组增加8.3倍。(H-L) MitoSOX和DCFH-DA染色显示EMHS降低线粒体内外ROS。(J) TEM显示EMHS恢复线粒体嵴完整性和形态。(M-N) EMHS组总线粒体数量不变，健康线粒体比例增加90.36%。
图5. EMHS显著改善衰老BMSCs特征和成骨能力：(A-B) 差异表达基因韦恩图和火山图显示5084个基因差异表达。(C) SASP相关基因热图显示EMHS下调衰老相关分泌表型。(D-E) GSEA显示EMHS恢复细胞周期和DNA复制通路。(F) GO富集分析显示EMHS调控生物过程和蛋白结合相关基因。(G) EMHS恢复衰老BMSCs年轻表型示意图。(H-I) SA-β-gal染色显示EMHS组阳性细胞减少70.64%。(J) Western blot显示EMHS下调γ-pAX、p16INK4a和p21Cip1。(K-L) qPCR验证p16INK4a和p21Cip1下调。(M) EMHS组Runx2、OPN和OCN蛋白表达显著升高。(N-P) ALP和茜素红S染色显示EMHS恢复成骨分化能力。(Q-R) qPCR显示EMHS上调Nanog、Sox2及Runx2、ALP、OCN表达。
图6. EMHS恢复衰老血管内皮的再生能力：(A) MitoTracker Red CMXRos染色显示EMHS恢复线粒体丝状网络和嵴结构。(B-C) EMHS恢复NAD+/NADH比值和ATP水平。(D,G) JC-1染色显示EMHS恢复线粒体膜电位。(E,H) 划痕实验显示EMHS组迁移能力较衰老组提高2.08倍。(F,I-J) 管形成实验显示EMHS组节点数增加2.36倍、总分支长度增加1.65倍。
图7. EMHS促进促修复中性粒细胞表型并重编程骨髓免疫微环境：(A) 单细胞分析显示老年小鼠骨髓中性粒细胞比例显著增加。(B) 免疫荧光显示老年小鼠骨髓中N1样（Ly6G⁺TNF-α⁺）中性粒细胞增加，年轻小鼠以N2样（Ly6G⁺CD206⁺）为主。(C) 体外诱导N1/N2中性粒细胞示意图。(D-E) qPCR显示EMHS下调N1标志物（ICAM、FAS），上调N2标志物（Arg1、CD206）。(F-G) 流式细胞术显示EMHS降低iNOS⁺ N1比例、增加CD206⁺ N2比例。(H) BMSC与中性粒细胞上清共培养示意图。(I-J) BMSC共培养2和7天后Runx2和ALP表达在EMHS组和N2组均显著上调。(K-M) 体内流式显示EMHS增加Ly6G⁺Arg1⁺ N2样中性粒细胞、减少Ly6G⁺iNOS⁺ N1样中性粒细胞。(N) EMHS诱导中性粒细胞极化示意图。
图8. EMHS促进老年小鼠体内骨再生：(A) 动物实验设计示意图。(B-D) μCT图像及定量显示EMHS组BV/TV恢复至对照组的70.0%、Tb.N较衰老组增加1.74倍。(E) H&E和Masson染色显示EMHS组新骨形成丰富、骨小梁结构致密有序。(F-J) TOM20、p21Cip1、RUNX2和CD31免疫荧光染色及定量：EMHS组TOM20⁺线粒体面积较衰老组增加4.17倍，p21⁺细胞显著减少，RUNX2表达达衰老组4.05倍，CD31表达较衰老组增加5.85倍。
结论
本研究基于ETC的PCET机制，开发了一种小分子药物-free的纳米治疗策略（EMHS），通过配对递送质子和电子恢复线粒体ETC相关生物能量功能。HxMoO3作为活性氢供体，通过PCET机制将CoQ10还原为CoQ10p，向受损线粒体递送配对质子/电子，恢复氧化磷酸化水平、降低ROS、恢复线粒体膜电位。关键发现是EMHS在总线粒体数量不变的情况下使健康线粒体比例增加90.36%，表明其通过修复而非清除受损线粒体来维持功能性线粒体池的平衡，且不依赖线粒体自噬通路。EMHS展现出多细胞调控效应：恢复衰老BMSCs的成骨潜能和干细胞多能性（Nanog、Sox2），增强内皮细胞迁移和血管生成，并将中性粒细胞从促炎N1表型重编程为促修复N2表型，协同促进骨-血管耦合再生。在老年小鼠骨缺损模型中，EMHS通过静脉给药优先富集于骨组织，BV/TV恢复至对照组的70.0%，CD31⁺血管面积增加5.85倍。该研究为治疗年龄相关骨缺损和其他退行性疾病提供了具有转化潜力的治疗工具。
