骨组织工程支架靶向线粒体策略在骨缺损修复中的研究进展总结2026

骨组织工程支架靶向线粒体策略在骨缺损修复中的研究进展总结2026

骨缺损是骨科临床中导致患者肢体功能丧失的主要原因之一，因此修复骨缺损对于维持人体正常生理功能至关重要。然而，由创伤、感染、肿瘤或先天性疾病引起的骨缺损常伴随着复杂的病理微环境，难以实现理想的骨再生。骨移植、牵张成骨、诱导膜技术和节段性假体是目前治疗大段骨缺损的常用策略，但仍存在各自的局限性[1]，因此，研发一种高效且安全的临床方案，尤为重要。

传统骨组织支架虽能提供结构支撑促进骨组织再生，但其修复效率受限于细胞代谢活性不足、特异性靶向困难和治疗效果难以持久等问题[2]。近年来，随着线粒体生物学研究的深入，研究者逐渐意识到线粒体作为细胞能量工厂和凋亡调控核心，在破骨-成骨-血管生成耦合及骨基质矿化中发挥关键作用[3-4]，针对此机制，研究者开始探索将生物支架设计与线粒体靶向技术相结合，旨在通过“材料-细胞-线粒体”多级调控提升骨修复效能。本文就线粒体在骨修复中的作用机制及骨组织工程支架的线粒体靶向策略进行综述，并对未来骨缺损修复研究方向进行展望。1线粒体在骨修复中的作用机制1.1线粒体的结构与功能

线粒体是真核细胞中主要的内膜系统之一，为内膜、外膜、基质、膜间隙4部分组成的双膜细胞器。外膜作为选择性通透屏障，具有分隔线粒体与细胞质及允许小分子自由通过的能力[5]；内膜向内高度折叠形成嵴，嵴上承载着复杂的生化反应，是电子传递链（electrontransferchain，ETC）和氧化磷酸化（oxidativephosphorylation，OXPHOS）的场所，以及生成三磷酸腺苷（adenosinetriphosphate，ATP）[6]；膜间隙则是建立质子梯度，驱动ATP合成；基质则是完成三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle，TCA）、脂肪酸β氧化及部分蛋白质合成[7]。线粒体因在能量产生、信号转导和调控细胞凋亡中起着关键作用，使其成为细胞器特异性治疗的关键靶点。近年来发现骨是线粒体对干细胞功能至关重要的代表性器官[8]，线粒体能量代谢、氧化应激、动态与质量控制的功能障碍可影响成骨细胞（osteoblasts，OB）活性导致骨质疏松等情况[9]。因此，靶向线粒体提升其功能是促进骨缺损修复的可行策略。1.2线粒体能量代谢

能量代谢是指细胞内通过TCA、戊糖磷酸途径和糖酵解等过程将葡萄糖和脂肪酸等有机物中的化学能转化为可利用的ATP和小分子代谢物的过程，是机体维持生命活动的核心机制[10]。细胞能量代谢分为有氧和无氧两种代谢途径。糖酵解是一种无氧代谢过程，主要发生在细胞质中，将葡萄糖转化为乳酸，产生少量ATP。另一方面，有氧呼吸主要发生在线粒体中，通过碳水化合物、脂质和蛋白质的OXPHOS合成大量ATP[11]。骨修复过程中线粒体通过OXPHOS产生ATP，支持间充质干细胞（mesenchymalstemcells，MSCs）成骨分化、OB分化、骨基质矿化及破骨细胞（osteoclasts，OC）骨吸收活动[12]。MSCs在静息状态下主要由糖酵解供能，当其被激活并向OB转变时，则依靠线粒体TCA、OXPHOS过程以确保高效能量供应和分化相关基因的表达[13]。当线粒体功能发生障碍ATP生成减少时，MSCs向OB分化的效率将显著降低[14]，虽然成熟的OB分化主要依靠糖酵解供能，但OB分化及矿化过程需要大量的能量供应，以合成高水平的胶原蛋白、骨基质蛋白，当线粒体生成ATP不足时，可通过影响OB分化信号通路中的蛋白质合成、磷酸化、激活凋亡相关通路等途径，抑制其分化或导致其提前死亡，从而阻碍骨修复[4,15]。此外，OC同样依靠线粒体能量代谢支持溶酶体酸化及骨吸收过程[16]。线粒体作为细胞的能量工厂，在骨修复过程中发挥着核心作用，当线粒体ATP生成不足时，可直接影响骨损伤后的修复和再生能力。因此，深入了解MSCs、OB和OC的能量代谢机制有助于为骨修复开发新的治疗策略。1.3线粒体动态控制

线粒体动态控制是线粒体融合与分裂动态平衡的过程[17]，分裂通过清除受损或功能失调的线粒体有助于线粒体质量控制，并在面临严重的细胞应激时促进细胞凋亡，由动力相关蛋白1(dynamin-relatedprotein1，Drp1)和线粒体分裂蛋白1(mitochondrialfissionprotein1，Fis1)介导，而融合则有利于线粒体之间混合和交换线粒体内的内容物，由视神经萎缩蛋白1(opticatrophyprotein，Opa1)、线粒体融合蛋白1/2(mitofusin-1/2，Mfn1/2)介导[18]。Robert等[19]发现，线粒体动力学变化在MSCs向OB、脂肪和软骨细胞分化过程中是必须的，上调Mfn2水平，增加线粒体融合水平，可促进成骨分化；抑制Drp1降低线粒体分裂水平可促进软骨细胞增殖分化。Suh等[20]研究发现，通过Opa1敲低或Fis1过表达增强线粒体分裂将导致小线粒体和线粒体源性囊泡的增殖。这些线粒体和囊泡随后被OB释放进入细胞外基质，支持骨祖细胞的成熟和分化，从而促进骨形成。考虑到线粒体动态调控在MSCs、OB的自我更新、多向分化和应激反应中具有重要意义，因此适当调节线粒体动力学促进MSCs、OB的分化有利于骨修复进展。1.4线粒体质量控制

线粒体质量控制是线粒体自噬过程，是一种有助于将受损或功能失调线粒体降解和利用，并参与其他细胞器清除的机制，以支持线粒体功能和维持细胞稳态[21]。自噬途径目前主要分为同源性磷酸酶张力蛋白诱导的激酶1[phosphataseandtensinhomologue(PTEN)-inducedputativekinase1，PINK1]/E3泛素连接酶(Parkin)信号通路途径和线粒体受体蛋白调控途径[22]。线粒体自噬在骨修复过程中发挥重要作用，朱汉民等[23]研究发现线粒体自噬通过SIRT1、PINK1/Parkin、FOXO3、PI3K信号通路促进成骨细胞生成；通过PINK1/帕金森相关蛋白和SIRT1信号通路抑制破骨细胞功能。Chen等[24]研究发现，在骨再生过程中MSCs利用自噬清除衰老或受损的细胞器和蛋白质，从而维持其干性和分化能力。然而，非生理情况下的线粒体自噬会打破骨代谢的平衡，自噬的精确调控及其时间控制是实现其潜在治疗效果的关键。因此如何安全激活线粒体自噬的不同阶段的调控机制促进骨修复值得进一步研究。1.5线粒体氧化应激调节

活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）主要来源于线粒体呼吸链，当线粒体内ROS过度积累，引发氧化损伤则导致氧化应激状态[25]。ROS作为有氧代谢的副产物，在骨代谢中发挥着双重作用，生理水平的ROS可激活MAPK、NF-κB等通路促进OB的分化，而过量的ROS会导致线粒体DNA受损、ATP减少及膜电位下降，从而抑制OB分化促进OC活化[26]。Deng等[27]研究发现，线粒体氧化应激状态可抑制MSCs的增值能力，并通过Wnt/β-catenin信号通路降低其成骨分化的能力。Cao等[28]研究发现，氧化应激状态可降低OB的线粒体膜电位导致OXPHOS效率降低发生能量代谢障碍，影响OB骨基质合成及矿化所需的能量供给。且过量ROS可激活GSK-3β通路促进β-catenin降解，下调Runx2和Osterix等转录因子表达，减少骨钙素和Ⅰ型胶原的合成[29]。线粒体氧化应激状态还可影响线粒体自噬，ROS过度积累会破坏线粒体膜电位，激活PINK1/Parkin通路，激活线粒体自噬，生理状态下氧化应激与自噬相互平衡，当自噬受阻、ROS过度积累时，导致异常线粒体累计，ROS持续增加，则形成ROS诱导ROS释放的恶性循环[30]。线粒体氧化应激的调控具有明显剂量特点。基于此，进一步研究ROS动态变化对骨微环境的影响，有望为骨疾病的临床干预提供新方向。

线粒体功能与骨缺损修复密切相关，在治疗线粒体相关疾病时，设计特异性靶向线粒体支架对于维持线粒体功能及调节至关重要。骨组织工程支架通过材料、靶向配体、药物和控释等方式直接作用和缓释作用，影响线粒体的能量代谢、氧化应激、质量和动态控制，这些机制相互作用诱导干细胞成骨分化促进骨缺损修复。2骨组织工程支架的线粒体靶向策略2.1线粒体靶向递送

线粒体靶向通常依赖两种机制：膜电位依赖与信号肽介导[31]。膜电位依赖是利用线粒体内膜两侧的电位差，引导带正电荷的分子或纳米颗粒通过线粒体膜进入线粒体基质，并在线粒体内积累[5]。信号肽介导则是将目标蛋白与线粒体靶向信号肽相结合，通过线粒体外膜的蛋白质转运体识别，再与内膜蛋白质转运体协同将目标蛋白转运至线粒体基质中[32]。线粒体靶向递送载体多以脂质基、纳米颗粒、聚合物载体、生物衍生物四大类为主。

脂质基载体其代表材料有脂质体、MITO-Porter等，Kim等[33]研发了一种含有阳离子的融合脂质体，并将MSCs的成熟线粒体包裹其中通过膜融合输送到软骨细胞内，利用线粒体自噬清除受损线粒体，从而恢复线粒体功能，体外和体内实验表明，该脂质体可减少炎性细胞因子和MMP13的表达，增加细胞外基质成分的表达，并促进软骨再生。该类载体优点是膜融合效率高，仿生兼容性佳，但其稳定性差，容易泄露其负载物。纳米颗粒载体其代表材料有介孔二氧化硅、MOFs等，Wang等[34]研发了一种掺有二甲双胍的纳米介孔二氧化硅支架，在糖尿病微环境实验中，该支架能够释放二甲双胍有效地清除过量ROS调节氧化还原反应，还重新激活AMPK/β-catenin通路逆转MSCs的成骨抑制从而改善成骨。纳米载体优势在于高载药量及表面易功能化，但长期生物降解性仍存疑[35]。聚合物载体的代表材料有水凝胶、壳聚糖等，Lao等[36]构建了一种负载二甲双胍的沸石咪唑盐骨架修饰的水凝胶，能够释放二甲双胍和Zn纳米颗粒减少炎症，恢复微环境平衡。且二甲双胍和Zn2+的协同作用抑制了ROS-炎症级联反应的产生并破坏了它们之间的恶性循环，从而恢复了线粒体功能，使糖尿病微环境下的骨生成得到增强。该类载体优点在于可降解、控释性能佳，但受限于靶向修饰复杂度高，需结合药物或其他材料增强其靶向性。生物衍生物代表材料有细胞外囊泡、外泌体等，Chen等[37]开发了一种植物来源的纳米囊单元（nanothylakoidunits，NTUs），并通过软骨细胞膜伪装，发现NTUs通过膜融合快速进入软骨细胞，实现了跨种属应用，NTUs可提高OXPHOS的效率增加ATP的产生，调节NADPH氧化酶的活性，从而控制ROS的产生，防止骨关节炎的病理发展。生物衍生物具有天然靶向性和免疫原性低的优点，但现阶段规模化生产困难，限制了其广泛使用。2.2线粒体稳态调控

线粒体作为细胞能量工厂及凋亡调控核心，其功能的稳态对骨修复过程至关重要。近年研究表明，支架材料可通过增强能量代谢、抑制氧化应激、调控动态与质量控制等途径维持线粒体稳态，从而提升骨修复效率。

在能量代谢方面，大量的ATP的生成是骨修复成败的关键因素之一。利用支架用材料的导电性促进细胞膜上的电位传导，激活线粒体ETC，增强ATP生成能力以及通过支架释放的生物活性离子激活AMPK/PGC-1α等相关通路推动线粒体生物合成，促进糖酵解向OXPHOS转换，使线粒体代谢重编程是增强能量代谢的有效途径[10]。Jo等[38]设计了一种金纳米颗粒，通过与线粒体内膜结合上调ETC复合物Ⅰ/Ⅲ活性，增强了质子梯度，以驱动ATP合酶旋转，从而以可持续的方式催化ATP合成，且线粒体膜电位、耗氧量和ATP合成显著增加。Gonzales等[39]研究发现，氮化硅支架释放的生物活性硅离子可激活AMPK/PGC-1α通路，推动线粒体生物合成，促进糖酵解向OXPHOS转换促进成骨分化。

在氧化应激调控中，支架可通过负载抗氧化药物或材料本身建立氧化防御且清除过多ROS。Lv等[40]研发了一种负载褪黑素的海绵状纳米纤维支架，可降低MSCs中ROS水平，并上调OB特异性标志物的基因表达，从而促进MSCs的成骨分化，且改善了大鼠股骨远端缺损的血管化骨再生。此外，部分支架的拓扑结构还可改善氧扩散，避免缺氧诱导的ROS过度积累、利于细胞增殖。Eryildiz等[41]研究发现，3D打印具有径向梯度的多孔聚乳酸支架可优化氧梯度分布，使线粒体膜电位稳定性提高的同时，还利于细胞增殖及药物释放。

在动态与质量调控中，支架可通过表面修饰物以及承载药物调控线粒体的分裂与融合及自噬效率，还可通过承载成熟线粒体进行移植以调控自噬维持线粒体功能。Li等[42]研发的嵌有氧化石墨烯量子点的层状镁合金双氢氧化物复合支架可诱导PINK1/Parkin通路，提升线粒体自噬效率，清除受损线粒体，改善局部微环境，从而促进骨再生和骨整合。An等[43]设计了一种含有氧化石墨烯量子点的水凝胶支架，该支架通过诱导Mfn2和Opa1的增加，促进线粒体融合抑制分裂，体外和体内实验中，该支架表现出良好的成骨分化并促进了下颌骨牙周骨缺损的修复。2.3动态微环境适配

骨修复过程中的微环境是动态变化的，骨组织工程支架可通过多维度调控线粒体稳态。基于此，微环境响应型释放体系被开发出来，通过感知局部炎症或氧化应激状态，动态释放线粒体保护剂协同免疫调控，维持修复微环境稳态。Sun等[44]构建了包裹在水凝胶中的过氧化氢酶和ROS响应性释氧纳米粒共载脂质体。在低氧条件下，该材料可释放过氧化氢酶降解过氧化氢产生氧气，并在过量ROS的触发下持续释放氧气2周以上，延长的富氧微环境显著增强血管生成和骨生成，同时抑制OC生成，且通过Nrf2-BMAL1自噬途径在小鼠颅骨缺损模型中显示出优异的骨再生效果。Zeng等[45]设计了一种集成二维黑磷纳米片和聚多巴胺的双功能涂层的钛材料，用于有效的细菌抑制和骨-种植体整合，该材料具有优异的生物相容性、生物活性、光热和声动力调控能力。在快速近红外辐射和超声处理下，达到显著的抗菌效果及显著降低氧化应激状态，且发现局部升温后通过激活HSP70蛋白保护线粒体蛋白折叠，同时促进UCP1蛋白表达增强产热代谢，加速了骨痂矿化速率。免疫微环境在骨修复过程中同样至关重要，巨噬细胞作为一类免疫细胞，活跃于炎症反应、组织修复和免疫调节等生理环节，其极化状态可适应不同的生理和病理需求。M1极化主要参与炎症反应和破坏骨组织的过程，M2极化则促进修复和骨生成。因此，协同免疫调控，促进巨噬细胞M2极化改善骨微环境治疗骨缺损是一可行策略[46]。He等[47]设计了一种含钼的生物活性玻璃陶瓷支架，该支架释放的钼离子可以靶向巨噬细胞线粒体，通过改变其从糖酵解到TCA循环和OXPHOS的代谢状态来调节巨噬细胞向M2型极化，并抑制多核异物巨细胞的产生。在动物实验中，该支架通过调控巨噬细胞M2极化，减少促炎因子释放，增强了牙周干细胞的线粒体功能，促进了牙周组织的再生，实现了免疫-能量代谢双通路协同修复。