近日，由中山大学附属口腔医院、华南理工大学材料科学与工程学院等多个单位的研究团队在学术期刊 Materials Today Bio 上发表了题为“自供能胞内纳米发电机通过线粒体MRS2/Mg2+介导的巨噬细胞复极化及破骨生成抑制减轻炎性骨溶解”的研究论文。本研究聚焦于炎症性骨吸收这一口腔颌面部常见疾病的核心病理过程，创新性地提出并验证了一种基于压电纳米材料的无线、非侵入性治疗新策略。
第一， 研究团队及发表情况 本研究的主要作者包括Jiyuan Zuo, Qining Guo, Youzhun Fan, Xiaobin Fu等，通讯作者为Peng Yu教授和Jianmao Zheng教授。研究团队来自中山大学附属口腔医院（广东省口腔医学重点实验室）、华南理工大学材料科学与工程学院（国家人体组织功能重建工程技术研究中心）、南方医科大学口腔医院以及广州医科大学附属口腔医院等多个机构。该研究于2025年7月在线发表于期刊 *Materials Today Bio*（2025, 33, 102050）。
第二， 学术背景与研究目的 炎症性骨溶解（Inflammatory Osteolysis）是牙周炎、种植体周围炎、颌骨骨髓炎等常见口腔颌面部疾病中存在的关键病理现象。巨噬细胞（Macrophage）在骨组织的炎症过程中扮演核心角色，其极化状态（Polarization）深刻影响骨代谢平衡。经典活化的M1型巨噬细胞分泌促炎细胞因子，可促进破骨细胞（Osteoclast）的生成与活化，导致骨破坏；而替代活化的M2型巨噬细胞则通过分泌抗炎因子和生长因子，抑制破骨生成并促进成骨，有助于骨修复。因此，促进巨噬细胞向M2型极化、抑制其向M1型极化及向破骨细胞分化，是抑制炎性骨吸收的潜在治疗方向。
前期研究发现，巨噬细胞极化与线粒体功能密切相关：M2极化时线粒体膜电位（Mitochondrial Membrane Potential）升高，而M1极化和破骨细胞分化时膜电位降低。这提示利用电场调控线粒体功能可能成为干预巨噬细胞命运的手段。压电（Piezoelectric）材料能够在机械应力下产生压电势，形成内置电场，是一种安全有效的无线供电方式，已被证明可促进骨修复和巨噬细胞M2极化。然而，压电纳米材料及其产生的纳米电场如何调控巨噬细胞的M2极化和破骨生成，其具体机制尚不明确。基于此，本研究旨在探索一种可被细胞吞噬的极化压电纳米材料，在细胞内提供无线电场，通过调控线粒体功能来诱导巨噬细胞M2极化、抑制破骨生成，从而缓解炎性骨溶解，并深入阐明其背后的分子机制。
第三， 详细研究流程与方法 本研究的工作流程系统而严谨，主要包含以下几个核心部分：
1. 压电纳米材料的制备与表征 首先，研究团队通过水热法制备了钛酸钡（Barium Titanate, BaTiO3, BTO）纳米颗粒。随后，使用外部电场装置（2.5 kV, 90°C, 30分钟）对BTO纳米颗粒进行极化处理，得到极化BTO（Polarized BTO, pBTO）。极化后的纳米颗粒由于上下表面电位不同，可在纳米尺度上形成内置电场（Built-in Nano-electric Field）。 表征手段包括：扫描电子显微镜（SEM）观察形貌与尺寸（约100 nm立方体）；X射线衍射（XRD）确认晶体结构为具有良好铁电性的四方相；压电力显微镜（PFM）验证其压电响应特性（典型的蝶形振幅环和约180°的相位切换）；扫描开尔文探针显微镜（SKPM）证实极化后表面电位显著升高，表明成功构建了具有纳米电场的压电材料。透射电镜（TEM）进一步证实，无论是BTO还是pBTO均可被RAW264.7巨噬细胞内吞，并定位于线粒体附近。
2. 体外实验：探究pBTO对巨噬细胞极化及破骨生成的影响 * 研究对象与处理：使用小鼠来源的RAW264.7巨噬细胞系。为模拟炎症环境，细胞先用脂多糖（LPS）预处理48小时诱导M1极化，然后分别与BTO或pBTO（100 μg/mL）共培养48小时，用于极化研究。对于破骨生成研究，细胞在添加巨噬细胞集落刺激因子（RANKL, 50 ng/mL）诱导破骨分化的同时，分别与BTO或pBTO共培养3-5天。 * 实验方法： * 巨噬细胞极化分析：采用流式细胞术检测M1标志物CD11c和M2标志物CD163的蛋白表达水平；通过定量逆转录聚合酶链反应（qRT-PCR）检测促炎因子（IL-1β, IL-6, TNF-α）和抗炎因子/标志物（IL-10, Arg1）的mRNA表达水平；使用JC-1荧光探针检测线粒体膜电位变化。 * 破骨细胞生成分析：通过抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）染色鉴定多核破骨细胞，并进行计数；使用qRT-PCR检测破骨细胞相关基因（ACP5, CTSK, c-Fos, DC-STAMP, ATP6v0d2）的表达水平；同样使用JC-1检测分化过程中的线粒体膜电位。
3. 体内实验：验证pBTO对炎性骨溶解的治疗效果 * 动物模型：建立LPS诱导的小鼠颅骨炎性骨溶解模型。将8-10周龄的雌性C57/BL6小鼠随机分组：对照组、LPS组、LPS+BTO组、LPS+pBTO组。通过颅骨正中缝皮下注射LPS（25 mg/kg）建立炎症模型，同时局部注射BTO或pBTO纳米颗粒（100 μg）。 * 评估方法：7天后处死小鼠，取颅骨进行以下分析： * 显微计算机断层扫描（Micro-CT）：对颅骨进行高分辨率扫描和三维重建，定量分析骨体积/组织体积（BV/TV）比值，评估骨丢失程度。 * 组织学与免疫荧光分析：颅骨脱钙、包埋、切片后，进行苏木精-伊红（H&E）染色评估骨侵蚀面积和炎症细胞浸润；进行TRAP染色定量破骨细胞数量；进行免疫荧光染色（CD68与iNOS或Arg1共标）以定位和量化颅骨组织中的M1（CD68+iNOS+）和M2（CD68+Arg1+）巨噬细胞。
4. 机制探索：揭示pBTO纳米电场作用的信号通路 * 转录组学分析：对经pBTO处理的RAW264.7细胞进行RNA测序（RNA-seq），筛选差异表达基因，并进行基因本体（Gene Ontology, GO）富集分析，以揭示pBTO调控的关键生物过程和通路。 * 线粒体Mg2+转运与代谢检测：基于GO分析提示的“单价阳离子转运”、“金属离子转运”等通路，研究聚焦于线粒体Mg2+。使用MitoTracker Red（线粒体染料）和Mag Fluo-4（Mg2+荧光探针）共染，通过共聚焦显微镜观察并定量线粒体内Mg2+水平。通过Western Blot检测线粒体Mg2+通道蛋白MRS2的表达水平。使用ATP检测试剂盒测定细胞ATP水平，反映线粒体代谢状态。 * 基因沉默验证：为了确认MRS2蛋白在pBTO效应中的关键作用，设计合成针对MRS2的小干扰RNA（siRNA），转染至RAW264.7细胞以敲低MRS2的表达。随后，在MRS2被抑制的条件下，重复上述关于巨噬细胞极化、破骨分化、线粒体Mg2+水平及ATP生成的实验，观察pBTO的效应是否被阻断。 * 体内机制验证：在LPS诱导的颅骨骨溶解模型中，增设LPS + pBTO + MRS2-siRNA组，通过Micro-CT和组织学分析，验证在体情况下MRS2是否介导了pBTO的抗骨溶解作用。
第四， 主要研究结果及其逻辑关联 1. pBTO纳米颗粒成功构建并可被细胞内吞，产生胞内无线电场。 SEM、XRD、PFM和SKPM等表征数据一致证明，所制备的pBTO纳米颗粒具有均匀的立方体形貌、良好的四方相晶体结构和显著的压电响应特性。TEM图像直接观察到pBTO颗粒被巨噬细胞内吞并靠近线粒体，这为后续“胞内纳米电场”调控线粒体功能的假设提供了结构基础。
2. pBTO产生的胞内无线电场在体外促进巨噬细胞M2极化并抑制M1极化。 流式细胞术结果显示，pBTO处理显著下调了M1标志物CD11c的表达，同时上调了M2标志物CD163的表达。qRT-PCR结果进一步证实，pBTO抑制了促炎因子IL-1β、IL-6、TNF-α的mRNA表达，而提升了抗炎因子IL-10和M2标志物Arg1的表达。JC-1染色显示，LPS引起的线粒体膜电位下降可被pBTO逆转，使其升高，而未极化的BTO无此效果。这些结果逻辑上串联起来表明：pBTO通过其产生的纳米电场，提升了巨噬细胞的线粒体膜电位，进而驱动了其表型由促炎的M1型向抗炎的M2型转换。
3. pBTO产生的胞内无线电场在体外直接抑制破骨细胞生成。 TRAP染色显示，RANKL诱导产生了大量多核破骨细胞，而pBTO处理显著减少了破骨细胞的数量。qRT-PCR分析表明，pBTO抑制了多个破骨细胞关键基因（如c-Fos, ATP6v0d2, DC-STAMP等）的表达。JC-1染色同样发现，在破骨分化过程中下降的线粒体膜电位在pBTO组得到恢复。此部分结果与极化实验结果相呼应，共同指向pBTO的纳米电场能够通过维护线粒体膜电位，抑制巨噬细胞向破骨细胞的分化程序。
4. pBTO在体内有效缓解LPS诱导的炎性骨溶解，其机制与调控巨噬细胞极化和破骨生成相关。 Micro-CT三维重建和BV/TV定量分析表明，pBTO治疗显著减轻了LPS引起的颅骨骨丢失。组织学分析提供了细胞层面的证据：H&E染色显示pBTO减少了骨侵蚀区域和炎症细胞浸润；TRAP染色显示pBTO降低了骨表面破骨细胞的数量；免疫荧光双标显示pBTO增加了组织中M2型巨噬细胞的比例，同时减少了M1型巨噬细胞的比例。这些体内结果完美地验证了体外实验的发现，证实了pBTO通过调节局部免疫微环境（促进M2、抑制M1）和直接抑制破骨生成来发挥骨保护作用。
5. pBTO通过调控线粒体MRS2/Mg2+轴来影响线粒体代谢，是其发挥功能的核心机制。 RNA-seq及GO分析提示，pBTO处理影响了与金属离子转运、线粒体膜电位调节等相关的基因集。后续实验聚焦于线粒体Mg2+。Western Blot显示pBTO显著提高了线粒体Mg2+通道蛋白MRS2的表达。共聚焦荧光成像证实，pBTO处理增加了线粒体内的Mg2+荧光强度。ATP检测表明，pBTO提升了细胞的ATP水平。这一系列数据构成了“pBTO纳米电场 → 上调MRS2 → 增加线粒体Mg2+内流 → 增强线粒体代谢（ATP生成）”的证据链。
6. 敲低MRS2可阻断pBTO的生物学效应，证明MRS2/Mg2+轴是该信号通路的关键节点。 这是本研究最关键的功能丧失性验证。当使用siRNA敲低MRS2后，pBTO所带来的线粒体Mg2+水平升高和ATP增加效应被取消。更重要的是，在MRS2被抑制的情况下，pBTO促进M2极化、抑制M1极化和促炎因子表达、抑制破骨细胞生成及相关基因表达的能力均被显著削弱。在动物模型中，联合注射MRS2 siRNA也逆转了pBTO对LPS诱导的颅骨骨溶解的保护作用。这些结果以确凿的证据表明，pBTO的纳米电场是通过激活MRS2，进而调控线粒体Mg2+稳态和代谢，最终实现对巨噬细胞极化和破骨生成的调控。
第五， 研究结论与意义 本研究得出结论：极化压电纳米材料pBTO可被巨噬细胞内吞，在细胞内产生无线纳米电场。该电场通过上调线粒体Mg2+通道蛋白MRS2的表达，增加线粒体内Mg2+浓度，进而提升线粒体代谢水平（表现为ATP生成增加和膜电位升高）。这一“纳米电场-Mg2+转运-线粒体代谢”信号轴最终驱动巨噬细胞向M2型抗炎表型极化，并抑制其向破骨细胞分化。在LPS诱导的小鼠炎性骨溶解模型中，pBTO通过上述机制有效减轻了骨破坏。
本研究的科学价值在于： 1. 提出了全新的治疗机制：首次将压电纳米材料的无线电场、线粒体离子转运（MRS2/Mg2+）和免疫代谢重编程（巨噬细胞极化）三者联系起来，构建了一条清晰、新颖的“纳米生物电-免疫调控”信号通路，为理解生物电信号调控免疫细胞功能提供了新视角。 2. 开发了创新的治疗策略：提供了一种基于纳米材料的、无线、非侵入性的物理治疗新方法（“纳米发电机”），用于治疗炎性骨溶解等免疫相关的骨疾病，避免了传统药物可能带来的全身性副作用。 3. 拓展了压电生物材料的应用边界：不仅证实了压电材料在骨修复中的应用潜力，更深入揭示了其在调控固有免疫、抑制病理性骨吸收方面的独特功能，为开发智能响应型生物材料治疗炎症性疾病奠定了基础。
第六， 研究亮点 1. 研究视角的创新性：巧妙地将压电材料的无线供电特性、线粒体离子代谢与免疫细胞命运决定这三个不同领域的概念交叉融合，形成了一个逻辑自洽且富有创新性的研究体系。 2. 材料与机制的深度结合：不仅证明了pBTO纳米颗粒的生物学效应，更通过从转录组到蛋白功能（MRS2敲低）的多层次、系统性实验，深入阐明了其发挥作用的精确分子机制（MRS2/Mg2+轴），使结论非常扎实。 3. 研究方法的系统性：从材料制备表征，到体外细胞功能与机制探索（极化、破骨分化、线粒体功能），再到体内疾病模型验证，最后通过基因沉默进行关键靶点回补验证，研究设计完整，逻辑环环相扣，证据链坚实。 4. 治疗策略的转化潜力：所采用的pBTO纳米材料具备良好的生物相容性（参考文献支持），且通过局部注射这种相对简便的方式起效，为未来临床转化治疗如牙周炎、种植体周围炎等局部骨溶解疾病提供了有前景的新思路。
第七， 其他有价值的内容 本研究团队在前期工作中已经发现，无线电场可以促进牙髓再生和干细胞分化（参考文献18），并且pBTO材料还具有抗肿瘤功效（参考文献20）。这表明该团队正在系统性地探索压电纳米材料“无线电场”在多种生物学过程中的普适性调控作用，本次关于免疫调控的发现是该研究方向的又一重要拓展。此外，文中也提及了未来值得探索的方向，例如线粒体Ca2+与Mg2+的相互作用，这为后续研究留下了空间。