تقيم هذه المراجعة مسحوق اللؤلؤ، وعرق اللؤلؤ، والمصفوفة القابلة للذوبان في الماء (WSM) المشتقة من عرق اللؤلؤ كمرشحات لمواد حيوية محفزة لتكون العظم. وتؤكد المراجعة وجود أدلة أقوى خاصة باللؤلؤ على النشاط المحفز لتكون العظم مقارنة بالسمية الخلوية بجرعات عالية أو الإصابة الناجمة عن الالتهام الذاتي، كما تحدد الحاجة إلى توصيف معياري، واختبارات الاستجابة للجرعة، ومقاييس الإجهاد، والتحقق من تدفق الالتهام الذاتي، وتقييم السلامة in vivo لفترات أطول.
مقالة مراجعة
مسحوق اللؤلؤ النانوي والمصفوفة القابلة للذوبان في الماء والمشتقة من عرق اللؤلؤ في تكوين العظم: الأدلة، والفجوات الميكانيكية، واعتبارات السلامة
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
يُعد مسحوق اللؤلؤ، والعرق اللؤلؤي (nacre)، والمصفوفة القابلة للذوبان في الماء (WSM) المشتقة من العرق اللؤلؤي، مواد معدنية عضوية طبيعية تزداد أهميتها في أبحاث تجديد العظام. ويبدو أن نشاطها البيولوجي لا يعتمد فقط على محتوى كربونات الكالسيوم، بل وأيضاً على مكونات المصفوفة القابلة للذوبان التي يمكن أن تؤثر على سلوك الخلايا العظمية، وترسيب المعادن، واستجابات الإجهاد الخلوي. تقارن هذه المراجعة السردية الدراسات المحددة لتكوين العظم باستخدام اللؤلؤ في نماذج الخلايا، والسقالات، وإصلاح العيوب، مع دراسات مختارة للجسيمات النانوية المقارنة المستخدمة لصياغة تساؤلات السلامة غير المحسومة. تدعم الأدبيات الخاصة باللؤلؤ بشكل عام النشاط المكون للعظم، لا سيما في نماذج خلايا ما قبل العظم أو الخلايا ذات السلالة العظمية والمواد التي تحتوي على WSM، ولكن الأدلة تظل متباينة نظراً لاختلاف مصدر الأنواع، وطريقة الاستخلاص، وحجم الجسيمات، وسلوك التحرر، والجرعة، واختيار نقاط النهاية عبر الدراسات. إن الأدلة التي تربط مسحوق اللؤلؤ النانوي بتمايز تكوين العظم المرتبط بالبلعمة الذاتية واعدة، خاصة في نماذج MC3T3-E1، إلا أن الأدبيات الحالية الخاصة باللؤلؤ توفر أدلة مباشرة محدودة فيما يتعلق بالسمية عند الجرعات العالية، أو ضعف تدفق البلعمة الذاتية، أو الاستمناع، أو المخاطر المرتبطة بالمعادن الثقيلة، أو الإصلاح المتوافق مع التحلل، أو السلامة الحيوية المزمنة. يجب أن تدمج الأعمال المستقبلية توصيف المواد، واختبار الاستجابة للجرعة، وقراءات الأكسدة والميتوكوندريا، وتحليل تدفق البلعمة الذاتية، ونقاط النهاية المكونة للعظم في تصميم تجريبي واحد. وستكون هذه الدراسات ضرورية لتحديد ما إذا كانت تركيبات WSM أو تركيبات اللؤلؤ النانوي يمكن أن توفر نافذة تكوين عظم آمنة وقابلة للتكرار لتطوير المواد الحيوية المجددة للعظام.
المقدمة
يتطلب إصلاح العظام مطلبين أساسيين؛ إذ يجب أن تملأ المادة الفجوة، كما يجب أن تساعد الخلايا من سلالة الخلايا osteoblast على تكوين المصفوفة خارج الخلوية والمعادن. وقد أظهر Lamghari وزملاؤه أن عرق اللؤلؤ يحفز خلايا نخاع العظم ويدعم تكوين العظام. كما أظهر Rousseau أن جزء المصفوفة القابلة للذوبان في الماء (WSM) من عرق اللؤلؤ جعل عملية تمعدن الخلايا preosteoblast من نوع MC3T3-E1 تبدأ في وقت مبكر1,2. ورغم أن الطعوم الذاتية، والطعوم الخيفية، والهيدروكسيباتيت، وبيتا-فوسفات ثلاثي الكالسيوم التقليدية لا تزال مفيدة، إلا أنها قد تكون محدودة بسبب الاعتلال في موقع المتبرع، أو نقص الإمدادات، أو تفاوت الاندماج، أو الهشاشة، أو بطء إعادة التشكيل، أو عدم كفاية الإشارات البيولوجية. لذا، يتم حالياً دراسة المواد المشتقة من اللؤلؤ كبدائل معدنية-عضوية طبيعية نشطة بدلاً من كونها مجرد مواد مالئة من كربونات الكالسيوم.
يرتبط اللؤلؤ وعرق اللؤلؤ ببعضهما البعض ولكنهما ليسا متطابقين. يُنتج مسحوق اللؤلؤ من جسم اللؤلؤ ويحتوي على كربونات الكالسيوم مع جزء عضوي أصغر، بينما يمثل عرق اللؤلؤ طبقة صدفة اللؤلؤ التي تتميز ببنية صفائحية من الأراغونيت والمواد العضوية عالية التنظيم. أما WSM المشتق من عرق اللؤلؤ فهو جزء قابل للذوبان تم استخلاصه من هذه المصفوفة. وتكتسب هذه الاختلافات أهمية لأن التعرض للمسحوق الكامل، أو التعرض للمستخلص القابل للذوبان، أو الدمج في السقالات، أو التعرض للجزيئات النانوية قد يؤدي إلى أنماط إطلاق متباينة، وأنماط تلامس خلوية مختلفة، ونتائج بيولوجية متنوعة.
تستخدم هذه المراجعة دراسات الجسيمات النانوية المقارنة كإشارات مخاطر وأدلة لتوليد الفرضيات فقط. يمكن أن يؤدي ثاني أكسيد التيتانيوم، والفضة، والهيدروكسيباتيت، والزركونيا، وغيرها من الجسيمات النانوية غير اللؤلؤية إلى زيادة أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، وإضعاف الميتوكوندريا، وإجهاد الليسوسومات، وتغيير عملية الالتهام الذاتي في النماذج المرتبطة بالخلايا البانية للعظم. يجب أن توجه هذه التأثيرات اختبارات السلامة الخاصة باللؤلؤ، ولكن لا ينبغي تفسيرها كدليل مباشر على أن مسحوق لؤلؤ النانو ينتج نمط الإصابة نفسه.
مراجعة ومنظور
تركيب والنشاط الحيوي لمسحوق اللؤلؤ، وعرق اللؤلؤ، والمصفوفة القابلة للذوبان في الماء
لا يتكون عرق اللؤلؤ من كربونات الكالسيوم فحسب، بل تحمل مادة الصدفة مصفوفات عضوية ذائبة وغير ذائبة داخل الطور المعدني. ويمكن لبروتينات عرق اللؤلؤ الذائبة أن تعدل ترسيب كربونات الكالسيوم، وقد حددت الدراسات البروتومية للمصفوفة القابلة للذوبان في الماء (WSM) بروتينات ذات نشاط محتمل في تكوين العظام، بما في ذلك الربط المعدني، وتنظيم المصفوفة، وإشارات شبيهة بعوامل النمو3,4,5. وبناءً على ذلك، يجب أن تحدد الادعاءات المتعلقة بالنشاط الحيوي لـ WSM النوع، وطريقة الاستخلاص، والجزء المستخدم، والنموذج المتبع، بدلاً من التعامل مع WSM كمادة واحدة قابلة للاستبدال.
تحضير وتوصيف مسحوق لآلئ النانو
يجب تقديم قائمة مراجعة دنيا للتوصيف قبل إجراء الاختبارات البيولوجية: الأنواع والمناطق النسيجية المصدرية، وطريقة التعقيم، وتوزيع حجم الجسيمات، والمورفولوجيا، والطور البلوري، وجهد زيتا، واستقرار التشتت في وسط الزرع، وحالة التجمع، ووضع السموم الداخلية أو العبء الميكروبي عند الاقتضاء، ومحتوى Mادة WSM، وملف البروتين، وتحرر أيونات الكالسيوم، وحركية تحرر WSM، وقابلية تكرار النتائج بين الدفعات. كما يجب أن تتضمن الدراسات ضوابط تفصل تأثيرات كربونات الكالسيوم عن تأثيرات المصفوفة العضوية، مثل جسيمات كربونات الكالسيوم فقط، أو WSM منزوعة البروتين أو المعالجة بالإنزيمات، أو ضوابط غير لؤلؤية مطابقة في حجم الجسيمات، أو ضوابط السقالة فقط، أو ضوابط WSM فقط، حيثما كان ذلك مناسباً.
تُظهر الأعمال الحديثة في مجال السقالات أيضاً إمكانية دمج المواد المشتقة من اللؤلؤ مع استراتيجيات التصنيع الحديثة. فقد تم دمج مادة Nacre WSM ومسحوق عرق اللؤلؤ (nacre powder) والأطوار المحاكية لعرق اللؤلؤ في سقالات مسامية وطبقية ومطبوعة6,7,8. كما تسلط دراسات التصنيع المضاف الموصى بها أثناء المراجعة الضوء بشكل أكبر على البنية المتحكم بها، وسلوك ذاكرة الشكل، والوظيفة الضوئية الحرارية، وتعزيز المواد المركبة كتوجهات تصميمية ذات صلة بالعيوب المعقدة9,10,11,12,13. وبالنسبة للمواد الحيوية المشتقة من اللؤلؤ، يجب تقييم هذه الطرق جنباً إلى جنب مع سلوك التحرر ونقاط النهاية للإجهاد الخلوي، لأن بنية السقالة يمكن أن تغير كلاً من الإشارات المكونة للعظم والتعرض السام للخلايا.
التأثيرات المكونة للعظم للمواد المشتقة من اللؤلؤ
يجب تفسير قوة الأدلة المكونة للعظم وفقاً للتسلسل الهرمي للنقاط النهائية. تظهر حيوية الخلايا وتكاثرها مدى التحمل ولكنها لا تثبت تكوين العظم. ويشير الفوسفاتاز القلوي (ALP) وعامل النسخ المرتبط بـ Runt 2 (Runx2) إلى التمايز المبكر. بينما يوفر الكولاجين I، والأوستيوبونتين (OPN)، والأوستيوكالسين (OCN)، والبروتين المكون للعظم-2 (BMP-2) أدلة لاحقة على إشارات مرتبطة بالمصفوفة. ويدعم صبغ أليزارين الأحمر والترسيب المعدني عملية النضج، خاصة عند معايرتها بالنسبة لعدد الخلايا. وتوفر التصويرات الحيوية In vivo، وعلم الأنسجة، والتكامل الميكانيكي، وإغلاق العيوب أدلة أقوى على الإصلاح مقارنة بالتغيرات المنعزلة في المؤشرات. وتدعم العديد من التقارير الخاصة باللؤلؤ النقاط النهائية المكونة للعظم المبكرة والمتأخرة، إلا أن المعايرة بالنسبة لعدد الخلايا، وحركية الإطلاق، وسلامة الأنسجة على المدى الطويل لا تزال تُذكر بشكل غير متسق1,6,7,8,14,15,16,17.
| نوع الدراسة/الدليل | المادة/النموذج | الجرعة أو المدة | النهايات الطرفية المكونة للعظم | قياس مؤشرات الالتهام الذاتي | مستوى الأدلة/الحدود |
| دراسة أصلية1 | عرق اللؤلؤ؛ خلايا النخاع وتكوين العظم في الجسم الحي | الرنين النووي المغناطيسي | تكوين العظام والاستجابة الخلوية | لا | أدلة تكوين عظمي مباشرة؛ تقرير النموذج الأقدم |
| دراسة أصلية2 | مادة Nacre WSM؛ خلايا MC3T3-E1 | إن آر (NR) | تمعدن مبكر | لا | إشارة خاصة بـ WSM؛ هوية المكوّن غير مكتملة |
| دراسة أصلية14 | المواد النشطة بيولوجياً القابلة للذوبان في الماء والمستخلصة من عرق اللؤلؤ؛ مقاييس الخلايا البانية للعظم | لا يوجد نص للترجمة. | النشاط المضاد للأكسدة وعلامات التمايز | لا | يدعم النشاط البيولوجي؛ توحيد الجرعة محدود |
| دراسة أصلية15 | جسيمات النانو صدفية البنية؛ MC3T3-E1 | إطلاق مُتحكم به لـ WSM/الكالسيوم؛ الجرعة المقارنة الدقيقة لـ NR في هذا الجدول | مؤشرات الحث العظمي | لا | ارتباطات الإطلاق بعملية تكون العظم؛ نقاط النهاية المتعلقة بالسلامة محدودة |
| الدراسة الأصلية16 | مسحوق اللؤلؤ النانوي القابل للذوبان في الماء؛ MC3T3-E1 | نسبة استعادة المادة في المخطوطة المستخلصة | المؤشرات العظمية والتمايز | نعم | البلعمة الذاتية المرتبطة بالتفاضل؛ الحاجة إلى توسيع أدلة التدفق والإنقاذ |
| دراسات السقالات الأصلية6-8 | مركبات WSM/مسحوق عرق اللؤلؤ/المشتقة من عرق اللؤلؤ في نماذج السقالات أو العيوب | غير مستجيب أو خاص بالطراز | تمعدن، علم الأنسجة، إصلاح العيب | عادةً لا | ذو صلة بالترجمة السريرية؛ بنية السقالة تسبب تضارباً في تأثير المكونات |
الجدول 1: دراسات ممثلة للمواد المشتقة من اللؤلؤ في تكوين العظام وترميم العظام. يميز الجدول بين الدراسات الأصلية والأدلة الأوسع المتعلقة بالسقالات، ويستخدم NR للإشارة إلى التفاصيل التي لم يتم ذكرها في المصدر المستخرج. الاختصارات: ALP = الفوسفاتاز القلوي؛ OCN = أوستيوكالسين؛ OPN = أوستيوبونتين؛ BMP-2 = البروتين المكون للعظام 2؛ ARS = صبغ أليزارين الأحمر؛ NR = غير مذكور.
السمية الخلوية، والإجهاد التأكسدي، وإجهاد الميتوكوندريا
تعتبر بيانات الجسيمات النانوية المقارنة ذات صلة من خلال متغيرات التعرض القابلة للنقل: حجم الجسيمات، وعدد الجسيمات، والتجمع، وشحنة السطح، والتاج البروتيني، ومسار الامتصاص، والعبء الليزوزومي، ومقياس الجرعة، ومدة التعرض، وإنتاج ROS، وجهد غشاء الميتوكوندريا، ونقاط النهاية للاستماتة أو النخر. وهي غير قابلة للنقل بشكل مباشر فيما يتعلق بالتركيب الخاص بالمادة، أو إطلاق WSM، أو الإشارات بوساطة البروتين، أو التحلل الحيوي، أو الاستمناع. لذا، يجب أن تختبر الدراسات الخاصة بلآلئ (Pearl) نقاط نهاية الإجهاد ذاتها بشكل مباشر بدلاً من استعارة استنتاجات السمية من مواد غير لؤلؤية18,19,20,21,22,23,24,25,26,27.
قضايا السلامة المتعلقة بالنقل السريري
يتطلب النقل السريري دراسة تساؤلات حول السلامة تتجاوز السمية الخلوية للجسيمات النانوية على المدى القصير. يجب فحص مسحوق اللؤلؤ والمستحضرات المشتقة من عرق اللؤلؤ للكشف عن بقايا المعادن الثقيلة، بما في ذلك الرصاص والزئبق والكادميوم والزرنيخ، ويجب أن تتماشى هذه الحدود مع متطلبات دستور الأدوية أو معايير جودة المواد الحيوية28. كما يحتوي WSM على بروتينات غير متجانسة مشتقة من القشرة، لذا يجب تقييم الاستمناع، وتنشيط المتممة، واستقطاب الخلايا البلعمية، والذاكرة الالتهابية. ويجب أن يتوافق معدل التحلل مع معدل تجدد العظام، كما يجب تتبع نواتج التحلل عبر الأنسجة المحلية والدم والكبد والكلى ومسارات الإخراج. ولا تزال هناك حاجة إلى دراسات على الحيوانات الكبيرة في العيوب التي تتحمل الوزن أو العيوب ذات الصلة سريرياً قبل إمكانية تعميم السلامة المزمنة.
البلعمة الذاتية كاستجابة للإجهاد الخلوي
تُعد البلعمة الذاتية عملية تدوير تعتمد على الليزوسومات. وتشير البلعمة الذاتية الواقية إلى زيادة تكوين وتطهير الجسيمات البلعومية التي تحافظ على الحيوية، وجودة الميتوكوندريا، وتوازن الأكسدة والاختزال، وقدرة التمايز. أما البلعمة الذاتية المختلة فتشير إلى انسداد التدفق، أو العبء الليزوسومي المفرط، أو تراكم LC3-II أو p62 دون تطهير، أو الموت المرتبط بالبلعمة الذاتية وفقدان الوظيفة المكونة للعظم. لا يمكن للتغيرات في البروتين المرتبط بالأنابيب الدقيقة 1 السلسلة الخفيفة 3 (LC3)، والسيكويستوسوم 1 (p62)، وBeclin-1 وحدها التمييز بين هذه الحالات؛ لذا يلزم استخدام bafilomycin A1، والكلوروكين، والتعديل الجيني، وتحليل المدى الزمني، وتصميمات إنقاذ الحيوية للتحقق من التدفق والسببية29,30,31,32.
المسارات الجزيئية التي قد تنظم من خلالها WSM عملية الالتهام الذاتي
تظل الآلية الأكثر مباشرة والخاصة باللؤلؤ هي الاستجابة المرتبطة بالتمايز والالتهام الذاتي لـ mitogen-activated protein kinase kinase/extracellular signal-regulated kinase (MEK/ERK)، والتي تم تسجيلها في خلايا MC3T3-E116. وتشير الدراسات الأوسع نطاقاً حول الخلايا البانية للعظم والمواد الحيوية إلى وجود تداخل محتمل مع AMP-activated protein kinase (AMPK)، و phosphoinositide 3-kinase/protein kinase B/mammalian target of rapamycin (PI3K/AKT/mTOR)، و sirtuin 1 (SIRT1)، وتأشير mitogen-activated protein kinase (MAPK) الحساس لـ ROS، و Yes-associated protein (YAP)/beta-catenin، و mTOR/unc-51-like autophagy activating kinase 1 (ULK1)، والمسارات المرتبطة بالالتهام الميتوكوندري29,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. وفي الوقت الحالي، لا تزال المستقبلات ومكونات WSM التي تطلق هذه الإشارات غير محددة بشكل كافٍ. وبناءً على الأدلة البروتومية، تشمل المدخلات المرشحة البروتينات الرابطة للمعادن، أو البروتينات الشبيهة بـ osteocalcin أو البروتينات المنظمة للمصفوفة، وزخارف التأشير المرتبطة بعائلة transforming growth factor-beta، ولكن هذه الروابط المقترحة تتطلب تجارب تجزئة، وحجب للمستقبلات، واضطراباً جينياً، وتجارب إنقاذ.
الدور المزدوج للبلعمة الذاتية في التمايز العظمي
تظهر الأدلة المتعلقة باللؤلؤ بشكل أساسي الجانب المفيد. حيث أفاد Cheng et al. أن مسحوق نانو اللؤلؤ القابل للذوبان في الماء زاد من العلامات العظمية في خلايا MC3T3-E1، وأن تثبيط البلعمة الذاتية أضعف استجابة التمايز16. وهذا يدعم وجود ارتباط ومساهمة محتملة للبلعمة الذاتية في هذا النموذج. ولا ينبغي اعتبار ذلك دليلاً على أن البلعمة الذاتية هي الوسيط المسبب الشامل لجميع التركيبات المشتقة من اللؤلؤ، لأن المثبطات الدوائية قد يكون لها تأثيرات خارج الهدف، كما أن العديد من الدراسات لم تدمج التحقق من التدفق مع النهج الجيني أو نهج الإنقاذ.
| السياق | بيانات مؤشرات الالتهام الذاتي | طريقة مقايسة تدفق الالتهام الذاتي | النتيجة | تفسير |
| مسحوق لؤلؤ نانوي قابل للذوبان في الماء؛ MC3T3-E1 | التغيرات المبلغ عنها في مسار LC3/p62 | لم يتم تقديم تقرير كامل عن التحقق من التدفق في المخطوطة المستخرجة | مؤشرات تكوين عظمي أعلى؛ استجابة ضعيفة بفعل المثبط | الارتباط النوعي للؤلؤ بالتمايز |
| الإجهاد التأكسدي/الأيضي في الخلايا البانية للعظم | تغيرات LC3، أو p62، أو Beclin-1، أو AMPK، أو PI3K/AKT/mTOR | متغير؛ غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى bafilomycin A1/chloroquine | الحماية أو الموت الخلوي المبرمج اعتماداً على الإجهاد | تحديد التمييز بين الالتهام الذاتي الواقي والالتهام الذاتي المختل وظيفياً |
| دراسات مقارنة للتيتانيوم/الفضة/السيليكا/التانتالوم/سيليكات ثنائي الكالسيوم | تغيرات LC3/p62 والمسار | متغير؛ بعض فحوصات التدفق أو التعديل | تكون العظم، أو التكاثر، أو الإصابة | توليد الفرضيات لدراسات اللآلئ |
| تركيبات مستقبلية مشتقة من اللؤلؤ | LC3-II، وp62، وBeclin-1، وعلامات الميتوفاجي | المطلوب: مثبط لليزوزومات بالإضافة إلى سلسلة زمنية، وتجربة جينية/إنقاذ عند الإمكان | الحيوية، وأنواع الأكسجين التفاعلية، والجهد الميتوكوندري، والتمعدن | مطلوب لتصنيف الاستجابة كـتكيُّفية، أو محايدة، أو ضارة |
الجدول 2: أدلة الالتهام الذاتي ذات الصلة باستجابات الخلايا العظمية والمواد الحيوية. يفصل الجدول الدراسات التي اعتمدت على المؤشرات فقط عن تلك التي تتطلب التحقق من التدفق، كما يميز بين الأدلة الخاصة باللؤلؤ والفرضيات المستمدة من المقارنات. الاختصارات: LC3 = microtubule-associated protein 1 light chain 3؛ p62 = sequestosome 1؛ TEM = المجهر الإلكتروني النافذ؛ NR = لم يتم الإبلاغ عنه.
محور السمية الخلوية والبلعمة الذاتية وتكون العظم بوساطة WSM
يُعد المحور المقترح نموذجاً قابلاً للاختبار وليس مساراً ثابتاً. يتمثل الجزء المحدد المتعلق باللؤلؤ في ارتباط التعرض لـ WSM أو اللؤلؤ النانوي بمؤشرات تكون العظم في نماذج خلوية وسقالات مختارة. أما الجزء المستمد من المقارنة فهو الفرع المحتمل للإجهاد العالي الذي يشمل ROS، وإصابة الميتوكوندريا، وعبء الجسيمات الحالة، وتعطل البلعمة الذاتية. والفرضية المراد التحقق منها هي أن البلعمة الذاتية التكيفية تتحول إلى بلعمة ذاتية مختلة وانخفاض في تكون العظم عند عتبة محددة.
استناداً إلى منطق الاستجابة للجرعة المتاح، يمكن لثلاث مناطق مؤقتة أن توجه التجارب. حيث تعمل منطقة تعزيز تكوين العظم على الحفاظ على الحيوية، والحفاظ على جهد غشاء الميتوكوندريا، وتجنب التراكم المتأخر لأنواع الأكسجين التفاعلية ROS، وإظهار تدفق بلعمي ذاتي كامل، وزيادة التمعدن بعد التسوية وفقاً لعدد الخلايا. أما منطقة "لا يوجد تأثير واضح" فستظهر تحملاً للمادة دون اكتساب ملموس في تكوين العظم. بينما ستظهر منطقة الإصابة السامة انخفاضاً في الحيوية، وبقاءً لأنواع الأكسجين التفاعلية ROS، وخللاً وظيفياً في الميتوكوندريا، وتراكماً لبروتين p62، أو تعطلاً في التدفق، وتنشيطاً التهابياً، وانخفاضاً في نتائج تكوين العظم. وقد يؤدي حجم الجسيمات، وحالة التجميع، ومدة التعرض، ومعدل إطلاق WSM إلى إزاحة هذه المناطق (الشكل 1).
الشكل 1: إطار عمل سمية WSM الخلوية والالتهام الذاتي وتكون العظم المعتمد على الأدلة. تشير الأسهم المتصلة إلى العلاقات المدعومة بدراسات خاصة باللؤلؤ، بما في ذلك تأثيرات WSM أو اللآلئ النانوية المختارة على مؤشرات تكون العظم. تشير الأسهم المتقطعة إلى روابط مستمدة من مقارنات أو افتراضية، بما في ذلك تراكم ROS، وإصابة الميتوكوندريا، والعبء الليزوزومي، وتثبيط الالتهام الذاتي، وانخفاض تكون العظم. الاختصارات: WSM = matrix الذائبة في الماء؛ ROS = أنواع الأكسجين التفاعلية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
التحديات والقيود
تعد هذه المقالة مراجعة سردية وليست مراجعة منهجية. وقد اختيرت الدراسات لرسم خريطة للأدلة المتعلقة بتكوين العظم النوعي للؤلؤ، والأدلة الخاصة بتكوين عرق اللؤلؤ/المادة العضوية في جدار الصدفة (WSM)، ونماذج السقالات وإصلاح العيوب، ودراسات الجسيمات النانوية المقارنة ذات الصلة بالإجهاد التأكسدي، وإصابة الميتوكوندريا، والبلعمة الذاتية. لم يتم إجراء تحليل تلوي رسمي، أو تسجيل مخاطر الانحياز، أو بروتوكول بحث منهجي شامل. وبناءً على ذلك، يفضل تفسير هذه المراجعة كخريطة أدلة وأجندة بحثية بدلاً من كونها تقديراً كمياً لحجم التأثير.
تختلف قوة الأدلة باختلاف الادعاءات. هناك دعم متوسط للنشاط المباشر المكون للعظم في مواد مختارة مشتقة من اللؤلؤ. وتعتبر التأثيرات الخاصة بـ WSM محتملة ولكنها تعتمد على طريقة التحضير. أما الفائدة mediated بواسطة السقالات فهي مدعومة بشكل متوسط فقط، وتتداخل مع تأثيرات معمارية وتأثيرات الناقل. ويعد الإصلاح In vivo واعداً ولكنه يظل محدوداً بفترة المتابعة ونقاط النهاية الخاصة بالسلامة. وتظل السمية الخلوية عالية الجرعة الخاصة باللؤلؤ والإصابة بوساطة الالتهام الذاتي مدعومة بشكل ضعيف أو افتراضية إلى حين جمع بيانات التدفق، وROS، والميتوكوندريا، والبيانات الالتهابية، وبيانات in vivo طويلة المدى.
الآفاق المستقبلية
تتمثل الأولويات قصيرة المدى في توحيد معايير توصيف المواد، وتحديد المكونات النشطة في WSM، ووضع الحد الأدنى من المتطلبات لمقايسة تدفق الالتهام الذاتي. يجب أن يقيس البروتوكول الموصى به لنفس الدفعة كلًا من حجم الجسيمات، والشكل المورفولوجي، وجهد زيتا، والطور البلوري، والتجمع في الوسط، وملف إطلاق WSM، وإطلاق الكالسيوم، وROS، وجهد غشاء الميتوكوندريا، والوظيفة الليزوزومية، وتدفق الالتهام الذاتي، والحيوية، وALP، وRunx2، وOPN، وOCN، والتمعدن. ويجب أن تذكر التقارير مقياس الجرعة، وحالة المصل، ومدة التعرض، والمعايرة وفقًا لعدد الخلايا، وما إذا كان قد تم استخدام مثبطات التدفق مثل bafilomycin A1 أو chloroquine.
تتمثل الأهداف طويلة المدى في تحديد نوافذ جرعات مخصصة أو محددة بنوع العيب، وتقييم السلامة على المدى الطويل في نماذج الحيوانات الكبيرة، ومقارنة معدل التحلل بمعدل تجدد العظام، واستكمال التحقق قبل السريري في مراكز متعددة. كما يجب أن تتضمن معايير الاستمرار أو التوقف (Go/no-go) قابلية بقاء مقبولة على المدى القصير والبعيد، وغياب الأنواع الأكسجينية التفاعلية (ROS) المستمرة أو إصابات الميتوكوندريا، والحفاظ على التمعدن أو زيادته بالنسبة لعدد الخلايا، وإطلاق مادة WSM بشكل قابل للتكرار، وغياب الالتهابات المزمنة أو استجابة الأنسجة المنتبذة، وملفات مقبولة للمعادن الثقيلة والسموم الداخلية، ونواتج تحلل متوافقة مع التمثيل الغذائي المحلي والجهازي (الشكل 2).
الشكل 2: نموذج نافذة الجرعة للمواد الحيوية المشتقة من اللؤلؤ. تمثل منطقة التعرض المنخفضة إلى المتوسطة نافذة تعزيز تكوين العظام المفترضة؛ وتمثل المنطقة الوسطى مرحلة التسامح دون فائدة واضحة؛ بينما تمثل منطقة التعرض العالي أو المطول فرضية تتطلب التحقق من صحتها بشكل خاص للؤلؤ. وتشير تسميات الأسهم إلى أن حجم الجسيمات، والتجمع، وإطلاق WSM، ومدة التعرض يمكن أن تؤدي إلى إزاحة حدود هذه المناطق. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الاستنتاجات
تظهر تركيبات مختارة مشتقة من اللؤلؤ وتحتوي على WSM إمكانات تعزيز تكوين العظام في نماذج قبل سريرية محددة، ولكن لا يمكن تعميم هذه الأدلة بعد على جميع تركيبات اللؤلؤ النانوي أو WSM دون إجراء اختبارات معيارية للجرعة، والتحرر، وتدفق الالتهام الذاتي، والسلامة. وتتعلق أقوى الأدلة المباشرة بتعزيز تكوين العظام في أنظمة خلوية وسقالات محددة، بينما تظل الأدلة المتعلقة بسمية اللؤلؤ النوعية بجرعات عالية، والالتهام الذاتي المختل، والقدرة المناعية، ومخاطر المعادن الثقيلة، والسلامة الحيوية المزمنة أضعف وغالباً ما تكون مستنبطة من مواد مقارنة. لذا، يجب على هذا المجال التعامل مع أنظمة WSM واللؤلؤ النانوي كمرشحات مواد حيوية واعدة ولكن غير مصادق عليها بالكامل، مع إعطاء الدراسات المستقبلية الأولوية للتوصيف القابل للتكرار، وتحديد نافذة الجرعة، والتقييم المتوازي لنقاط النهاية الخاصة بتكوين العظام والسلامة.
الإفصاحات
يصرح المؤلفون بعدم وجود أي تضارب في المصالح.
شكر وتقدير
يتوجه المؤلفون بالشكر إلى مشروع هاينان الإقليمي لابتكار المواهب في العلوم والتكنولوجيا على دعمه. تم تمويل هذه المراجعة من قبل مشروع هاينان الإقليمي لابتكار المواهب في العلوم والتكنولوجيا (KJRC2023D25).
المراجع
- Lamghari M, et al. Stimulation of bone marrow cells and bone formation by nacre: in vivo and in vitro studies. Bone. 1999;25(2 Suppl):91S-4S.
- Rousseau M, et al. The water-soluble matrix fraction from the nacre of Pinctada maxima produces earlier mineralization of MC3T3-E1 mouse pre-osteoblasts. Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol. 2003;135(1):1-7.
- Heinemann F, Gummich M, Radmacher M, Fritz M. Modification of CaCO₃ precipitation rates by water-soluble nacre proteins. Mater Sci Eng C. 2011;31(2):99-105.
- Oliveira DV, et al. Identification of proteins with potential osteogenic activity present in the water-soluble matrix proteins from Crassostrea gigas nacre using a proteomic approach. ScientificWorldJournal. 2012;2012:765909.
- Sancho-Tomás M, et al. Calcium carbonate bio-precipitation in counter-diffusion systems using the soluble organic matrix from nacre and sea-urchin spine. Eur J Mineral. 2014;26(4):523-35.
- Li SG, et al. In vivo study on osteogenic efficiency of nHA/gel porous scaffold with nacre water-soluble matrix. Tissue Cell. 2024;88:102347.
- Ruan R, et al. Converting ocean nacre into bone mineral matrix composite for bone regeneration: in vitro and in vivo studies. Mater Des. 2024;245:113271.
- Liu B, et al. 3D printing nacre powder/sodium alginate scaffold loaded with PRF promotes bone tissue repair and regeneration. Biomater Sci. 2024;12(9):2418-33.
- Guo W, et al. Ionic substitution through bredigite doping for microstructure and performance adjustment in DLP 3D-printed TPMS porous HA bone scaffolds. Virtual Phys Prototyp. 2024;19(1).
- Guo W, et al. Biomimetic TPMS porous hydroxyapatite bone scaffolds doped with bioactive glass: digital light processing additive manufacturing, microstructure and performance. Compos Part A Appl Sci Manuf. 2025;193:108870.
- Guo W, et al. Niobium carbide-functionalized polylactic acid bone scaffold with near-infrared light-mediated shape memory and photothermal therapy for complex bone defects. Int J Biol Macromol. 2025;322(Pt 1):146578.
- Guo W, et al. Functionalized degradable soybean oil-based biomimetic porous scaffolds for complex bone defects: vat photopolymerization additive manufacturing, photothermal-mediated shape memory and tumor thermotherapy. Compos Sci Technol. 2026;265:111412.
- Guo W, et al. Multi-element CuFeSe₂ nanoparticle-functionalized 3D-printed polylactic acid scaffolds with photothermal shape memory and therapy for complex bone defects. Ceram Int. 2026. doi:10.1016/j.ceramint.2025.10.016.
- Chaturvedi R, Singha PK, Dey S. Water soluble bioactives of nacre mediate antioxidant activity and osteoblast differentiation. PLoS One. 2013;8(12).
- Xu J, et al. The osteoinductive effect of nano-nacre particles on MC-3T3 E1 preosteoblast through controlled release of water soluble matrix and calcium ions. Dent Mater J. 2019;38(6):981-6.
- Cheng Y, Zhang W, Fan H, Xu P. Water-soluble nano-pearl powder promotes MC3T3-E1 cell differentiation by enhancing autophagy via the MEK/ERK signaling pathway. Mol Med Rep. 2018;18(1):993-1000.
- Suwannasing C, et al. The osteoinductive effect of water-soluble matrix from nano-nacre particles of Haliotis diversicolor abalone on MC3T3-E1 osteoblasts. Appl Sci. 2025;15(6):2907.
- Bernier MC, El Kirat K, Besse M, Morandat S, Vayssade M. Preosteoblasts and fibroblasts respond differently to anatase titanium dioxide nanoparticles: a cytotoxicity and inflammation study. Colloids Surf B Biointerfaces. 2012;90:68-74.
- Inkielewicz-Stepniak I, et al. Titanium dioxide nanoparticles enhance production of superoxide anion and alter the antioxidant system in human osteoblast cells. Int J Nanomedicine. 2015;10:1095-107.
- Jin Y, et al. Oxidative stress-induced apoptosis of osteoblastic MC3T3-E1 cells by hydroxyapatite nanoparticles through lysosomal and mitochondrial pathways. RSC Adv. 2017;7(21):13010-8.
- Suh KS, Lee YS, Seo SH, Kim YS, Choi EM. Effect of zinc oxide nanoparticles on the function of MC3T3-E1 osteoblastic cells. Biol Trace Elem Res. 2013;155(2):287-94.
- Ye M, Shi B. Zirconia nanoparticles-induced toxic effects in osteoblast-like 3T3-E1 cells. Nanoscale Res Lett. 2018;13(1):353.
- Zielinska E, Tukaj C, Radomski MW, Inkielewicz-Stepniak I. Molecular mechanism of silver nanoparticles-induced human osteoblast cell death: protective effect of inducible nitric oxide synthase inhibitor. PLoS One. 2016;11(10).
- Andrée L, et al. Effect of hydroxyapatite nanoparticle crystallinity and colloidal stability on cytotoxicity. ACS Biomater Sci Eng. 2024;10(11):6964-73.
- Steckiewicz KP, Dmochowska M, Megiel E, Barcińska E, Inkielewicz-Stępniak I. Functionalization-dependent cytotoxicity of silver nanoparticles: a comparative study of chlorhexidine and metronidazole conjugates. Biomolecules. 2025;15(6):850.
- Xu J, Ze X, Zhao L, Sheng L, Ze Y. Titanium dioxide nanoparticles oral exposure induce osteoblast apoptosis, inhibit osteogenic ability and increase lipogenesis in mouse. Ecotoxicol Environ Saf. 2024;277:116367.
- Porter GC, et al. Endocytosed silver nanoparticles degrade in lysosomes to form secondary nanoparticle structures during expression of autophagy genes in osteogenic cells. Nanomedicine. 2021;33:102355.
- Chinese Pharmacopoeia Commission. Pharmacopoeia of the People’s Republic of China. Vol 1. Chinese Pharmacopoeia pearl powder quality standard. China Medical Science Press; Beijing; 2025.
- Wang X, Feng Z, Li J, Chen L, Tang W. High glucose induces autophagy of MC3T3-E1 cells via ROS-AKT-mTOR axis. Mol Cell Endocrinol. 2016;429:62-72.
- Liu W, et al. Dexamethasone-induced production of reactive oxygen species promotes apoptosis via endoplasmic reticulum stress and autophagy in MC3T3-E1 cells. Int J Mol Med. 2018;41(4):2028-36.
- Wang S, et al. Excessive production of mitochondrion-derived reactive oxygen species induced by titanium ions leads to autophagic cell death of osteoblasts via the SIRT3/SOD2 pathway. Mol Med Rep. 2020;22(1):257-64.
- Ruolan W, Liangjiao C, Longquan S. The mTOR/ULK1 signaling pathway mediates the autophagy-promoting and osteogenic effects of dicalcium silicate nanoparticles. J Nanobiotechnology. 2020;18(1):119.
- She C, Zhu LQ, Zhen YF, Wang XD, Dong QR. Activation of AMPK protects against hydrogen peroxide-induced osteoblast apoptosis through autophagy induction and NADPH maintenance: new implications for osteonecrosis treatment? Cell Signal. 2014;26(1):1-8.
- Zuo X, et al. Protective effect of photobiomodulation against hydrogen peroxide-induced oxidative damage by promoting autophagy through inhibition of PI3K/AKT/mTOR pathway in MC3T3-E1 cells. Oxid Med Cell Longev. 2022;2022:7223353.
- Shi Y, et al. Monotropein attenuates oxidative stress via Akt/mTOR-mediated autophagy in osteoblast cells. Biomed Pharmacother. 2020;121:109566.
- Chen F, et al. 5-(3′,4′-dihydroxyphenyl)-γ-valerolactone, a microbiota metabolite of flavan-3-ols, activates SIRT1-mediated autophagy to attenuate H₂O₂-induced inhibition of osteoblast differentiation in MC3T3-E1 cells. Free Radic Biol Med. 2023;208:309-18.
- Ling Z, et al. Copper-doped bioactive glass promotes matrix vesicles-mediated biomineralization via osteoblast mitophagy and mitochondrial dynamics during bone regeneration. Bioact Mater. 2025;46:195-212.
- Ha SW, Weitzmann MN, Beck GR Jr. Bioactive silica nanoparticles promote osteoblast differentiation through stimulation of autophagy and direct association with LC3 and p62. ACS Nano. 2014;8(6):5898-910.
- Kang C, et al. Involvement of autophagy in tantalum nanoparticle-induced osteoblast proliferation. Int J Nanomedicine. 2017;12:4323-33.
- Kang C, et al. Assessment of tantalum nanoparticle-induced MC3T3-E1 proliferation and underlying mechanisms. J Mater Sci Mater Med. 2021;32(11):133.
- Li L, et al. Nanotopography on titanium promotes osteogenesis via autophagy-mediated signaling between YAP and β-catenin. Acta Biomater. 2019;96:674-85.