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Nanocatalytic Biofunctional MOF Coating on Titanium Implants Promotes Osteoporotic Bone Regeneration through Cooperative Pro-osteoblastogenesis MSC Reprogramming

间充质干细胞 活性氧 骨整合 细胞生物学 化学 MFN2型 粒体自噬 材料科学 植入 生物 生物化学 医学 自噬 线粒体融合 外科 细胞凋亡 基因 线粒体DNA
作者
Maowen Chen,Dong Wang,Menghuan Li,Ye He,Tingting He,Maohua Chen,Yan Hu,Zhong Luo,Kaiyong Cai
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (9): 15397-15412 被引量:56
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c07200
摘要

An elevated bone microenvironmental reactive oxygen species (ROS) level is a hallmark of osteoporosis that often leads to the dysfunction of bone-related mesenchymal stem cells (MSCs), which would induce MSC senescence and severely undermine their osteoblastic potential. Herein, we report the in situ construction of bone microenvironment-responsive biofunctional metal-organic framework (bio-MOF) coating on the titanium surface through the coordination between p-xylylenebisphosphonate (PXBP) and Ce/Sr ions by a hydrothermal method. Taking advantage of the anchored Ce and Sr ions, the AHT-Ce/SrMOF implants demonstrate on-demand superoxide dismutase and catalase-like catalytic activities to decompose ROS in MSCs and restore their mitochondrial functions. In vitro analysis showed that the AHT-Ce/SrMOF implants substantially activated the AMP-activated protein kinase (AMPK) signaling pathway in MSCs and reduced the ROS levels. Meanwhile, MSCs grown on AHT-Ce/SrMOF implants displayed significantly higher expressions of the mitochondrial fission marker (DRP1), mitochondrial fusion marker (MFN2 and OPA1), and mitophagy marker (PINK1 and LC3) than those of the AHT-CeMOF and AHT-SrMOF groups, which indicated that the bio-MOF could amend mitochondrial function in MSCs to reverse senescence. In vivo evaluations showed that the bio-MOF-coated Ti implants could restore MSC function in the implant site and promote new bone formation, leading to improved osteointegration in osteoporotic rat. This study may improve implant-mediated fracture healing in the clinics.
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