《Adv. Healthcare Mater.》 | 拉曼光谱技术结合纳米仿生系统揭示病理性矿化调控炎症的内在机制
2021年10月，吉林大学口腔医院李道伟副教授团队应用辰英核心产品——共聚焦拉曼光谱仪HOOKE P300，在期刊《Adv. Healthcare Mater.》（影响因子9.933）上发表文章“Unraveling an Innate Mechanism of Pathological Mineralization-Regulated Inflammation by a Nanobiomimetic System”。
该系统是由PLGA（聚乳酸-羟基乙酸共聚物），HA（羟磷灰石），和Gelatin（明胶）静电纺丝纳米纤维组成，分别用来模拟病理性矿化微环境中的高脂环境，钙离子，和基质蛋白。PLGA可模拟脂质，诱发局部炎症，促进局部点状矿化的形成，但可阻止钙离子的渗透。明胶可以模拟基质蛋白，促进钙离子的渗透与成核，以及晶体的成熟。我们的结果表明，炎症应答会在矿化的过程中不断降低。当成熟的矿化形成时，炎症几乎完全消失。从机制上来说，病理性矿化的形成是由基质蛋白、局部高浓度的钙离子和细胞碎片成分所介导的，还会受到巨噬细胞分泌的溶酶体/质膜组分的主动调节。这些炎症诱导因子(钙、细胞碎片等)可以通过矿化过程被“掩埋”，导致免疫应答的下降。
01 研究背景
病理性矿化以磷酸钙盐的沉积为特征，几乎在所有的结缔组织中都可以发生。病理性矿化常发生在炎症状态下，会影响一系列疾病的预后，例如动脉粥样硬化和癌症。一般来说，持续的炎症反应被看作是软组织发生病理性矿化的关键因素。异常的矿化是一个受到钙磷酸盐、蛋白质、脂质、局部浸润细胞等多种因素调控和影响的动态过程。然而，这些因素的具体功能尚不清楚。目前，尚未有研究报道病理性矿化对炎症的具体影响。此外，目前仍然缺乏良好的活体模型来研究矿化对炎症的作用。
02 图文导读
1. PLGA/HA/Gelatin静电纺丝纳米纤维的设计及其用于研究病理性矿化和炎症之间的关系。
2. 纳米纤维支架介导的局部炎症。不同纳米纤维植入组织的代表性HE切片所示。结果表明，支架与组织交界处的PH、PGH基团有明显矿化，形成矿壁，将支架内部与周围组织分离。此外，可以发现HA在支架与组织界面处的嗜碱性染色明显强于支架内部，说明体液和细胞对支架周围的矿化有明显的贡献。作者发现PGH组和PG组的阳性染色印迹呈针状，进一步说明明胶可以作为胶原样模板用于HA晶体的沉积和生长。
3. 共聚焦拉曼光谱分析局部矿化过程。研究团队利用HOOKE P300单细胞检测级共聚焦拉曼系统对组织切片中的矿化状态进行了深入研究。对于磷灰石组织或合成磷灰石，(PO4 ) -3(ν1 )的拉曼位移频率会受到周围矿物的影响。作者研究的结果表明，在 PG、PH 和 PGH 组中观察到与(PO4) -3(ν1 )对应的 945-961 cm -1强拉曼峰，结果表明，所有这些支架都在体内诱导了高结晶羟基磷灰石（HA）形成。PGH组与其他组相比(PO4 ) -3(ν1 )的相对强度要高得多。对于 PLGA 或明胶，特征拉曼位移频率在结果中展示，主要包括872 cm-1 (ν c-coo ), 1450 cm-1 (δ CH3) and 1762 ( ν c=o ) cm −1。1762 cm −1 处的拉曼位移频率是 PLGA 中的酯键。与P和PH组相比，PG和PGH组在1762 cm −1处较低的强度，表明这两组PLGA的降解速度更快。乳酸是PLGA的降解产物。增加的渗透性和比表面积会导致PGH支架更快的降解，产生更多的降解产物，包括乳酸。在PG和PGH组中，由于较高的渗透率，乳酸的扩散也增强。因此，872 cm -1 处的强度变化（乳酸组分中的 C-COO）进一步证实了 PLGA 在各种支架中的降解特性。此外，PG和PGH组中1271和1670 cm -1 对应于明胶的酰胺III和酰胺I区域的强度由于明胶的掺入而显着增加。明胶可以模拟细胞外基质蛋白，为PTM的形成提供成核位点。
4. 纳米纤维支架的体内免疫反应。H&E染色组织学图像显示，各组均因PLGA的酸性降解产物引起不同程度的炎症反应。在PGH组，发现未成熟钙化区，其炎症反应明显高于成熟钙化区。并且PGH组未成熟颗粒化被一层多核细胞包围。
5. 免疫组化研究。通过免疫组化染色在各组中检测到炎性细胞因子、白介素α（ILα）和肿瘤坏死因子α（TNFα）。ILα 的阳性染色可见于各组的所有样品中。强阳性ILα染色仅见于非钙化 P 和 PG 组。在钙化 PGH 支架中很少有分散的阳性ILα。此外，各组中TNFα的阳性染色很少。这些结果表明矿化可以解决炎症反应，并且是体内炎症调节的自然机制。
03 结论
这项研究表明病理性矿化是炎症消退的内在机制之一，其通过“掩埋”局部的炎症诱导因子来降低炎症应答，为了解矿化对炎症的作用提供了有价值的见解。
参考文献
Unraveling An Innate Mechanism of Pathological Mineralization-Regulated Inflammation By A Nanobiomimetic System. Adv. Healthcare Mater. 2021, DOI: 10.1002/adhm.202101586
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