מאמר סקירה

אבקת ננו-פנינה ומטריצה מסיסה במים המופקת מצדף בתהליך אוסטאוגנזה: ראיות, פערים מכניסטיים ושיקולי בטיחות

68 צפיות

⸱

DOI:

10.3791/72185

⸱

3 בספטמבר 2026

 ,  , 
1Department of Periodontology, The First Affiliated Hospital of Hainan University, 2Department of Oral Implantation, The First Affiliated Hospital of Hainan University, 3Department of Oral and Maxillofacial Surgery, The First Affiliated Hospital of Hainan University

במאמר זה

סיכום

סקירה זו מעריכה אבקת פנינים, נacre ומטריצה מסיסה במים (WSM) המופקת מ-nacre כמועמדים לחומרים ביו-חיוביים עבור אוסטאוגנזה. הסקירה מדגישה כי קיימות ראיות חזקות יותר הספציפיות לפנינים לגבי פעילות אוסטאוגנית מאשר לגבי ציטוטוקסיות במינון גבוה או פגיעה המתווכת על ידי אוטופגיה, ומזהה צורך באפיון סטנדרטי, בדיקות תגובה למינון, בדיקות עקה, תיקוף של שטף אוטופגי והערכת בטיחות ארוכה יותר in vivo.

תקציר

אבקת פנינים, נacre (צדף), ומטריקס מסיס במים (WSM) המופק מנacre הם חומרים מינרליים-אורגניים טבעיים בעלי רלוונטיות גוברת למחקר בתחום רגנרציית העצם. נראה כי פעילותם הביולוגית תלויה לא רק בתכולת פחמת הסידן, אלא גם ברכיבי מטריקס מסיסים שיכולים להשפיע על התנהגות אוסטאובלסטים, שיקוע מינרלים ותגובות למעקה תאי. סקירה נרטיבית זו משווה מחקרים אוסטאוגניים ספציפיים לפנינים במודלים של תאים, פיגומים (scaffolds) ותיקון פגמים, אל מול מחקרים נבחרים של ננו-חלקיקים המשמשים כבקרות להצבת שאלות בטיחות שטרם נפתרו. הספרות הספציפית לפנינים תומכת בדרך כלל בפעילות אוסטאוגנית, במיוחד במודלים של פרה-אוסטאובלסטים או שושלת אוסטאובלסטים ובחומרים המכילים WSM, אך הראיות נותרות הטרוגניות מכיוון שמקור המין, שיטת המיצוי, גודל החלקיקים, התנהגות השחרור, המינון ובחירת נקודות הסיום שונות בין המחקרים. ראיות הקושרות אבקת ננו-פנינים לדיפרנציאציה אוסטאוגנית הקשורה לאוטופגיה הן מבטיחות, במיוחד במודלים של MC3T3-E1, אך הספרות הקיימת הספציפית לפנינים מספקת ראיות ישירות מוגבלות לרעילות במינונים גבוהים, פגיעה בזרימה אוטופגית, אימונוגניות, סיכונים הקשורים למתכות כבדות, תיקון תואם דגרדציה או בטיחות ביולוגית כרונית. עבודה עתידית צריכה לשלב אפיון חומרים, בדיקות תגובה למינון, מדדי חמצון ומדדים מיטוכונדריאליים, ניתוח זרימה אוטופגית ונקודות סיום אוסטאוגניות בתוך עיצוב ניסויי אחד. מחקרים כאלה יהיו נחוצים כדי להגדיר האם פורמולציות מבוססות WSM או ננו-פנינים יכולות לספק חלון אוסטאוגני בטוח וניתן לשחזור לפיתוח ביו-חומרים לרגנרציית עצם.

מבוא

לשיקום עצם יש שני צרכים בסיסיים. על החומר למלא את הפגם וכן לסייע לתאים משושלת האוסטאובלסטים לייצר מטריצה חוץ-תאית ומינרלים. Lamghari et al. הראו כי צדף (nacre) גרם לגירוי של תאי מח עצם ותמך ביצירת עצם. Rousseau הראה כי פרקציה של מטריצה מסיסה במים (WSM) המופקת מצדף גרמה לתחילת מינרליזציה מוקדמת יותר בתאי פרה-אוסטאובלסט מסוג MC3T3-E11,2. השתלות עצמיות (autografts), השתלות מאדם אחר (allografts), הידרוקסיאפטיט ובטא-טריקסיום פוספט קונבנציונליים נותרים שימושיים, אך הם עלולים להיות מוגבלים בשל תחלואה באתר התרומה, זמינות, אינטגרציה משתנה, שבירות, רמודלינג איטי או איתות ביולוגי לא מספיק. לכן, חומרים המופקים מפנינים נחקרים כחלופות מינרליות-אורגניות טבעיות פעילות, ולא רק כממלאים פשוטים של סידן פחמתי.

פנינים ונקר (nacre) הם חומרים קשורי, אך אינם זהים. אבקת פנינים מופקת מגוף הפנינה ומכילה סידן פחמתי עם פракציה אורגנית קטנה יותר, בעוד שנקר הוא שכבת צדף פנינתית בעלת ארכיטקטורה למלרית של ארגוניט-חומר אורגני המאורגנת באופן הדוק. WSM המופק מנקר הוא פракציה מסיסה הממוצית ממטריצה זו. הבדלים אלו הם משמעותיים מכיוון שחשיפה לאבקה שלמה, חשיפה לתמצית מסיסה, שילוב בפיגום (scaffold) וחשיפה לחלקיקים בננו-קנה מידה עשויים להוביל לפרופילי שחרור, דפוסי מגע תאי ותוצאות ביולוגיות שונים.

סקירה זו משתמשת במחקרי ננו-חלקיקי השוואה רק כסימנים לסכנה וכראיות להצבת השערות. טיטניום דו-חמצני, כסף, הידרוקסיאפטיט, זירקוניה וננו-חלקיקים אחרים שאינם פנינים עלולים להעלות את רמת המינים החמצוניים רבובים (ROS), לפגוע במיטוכונדריה, להעמיס על ליזוזומים ולשנות את האוטופגיה במודלים הקשורים לאוסטאובלסטים. השפעות אלו צריכות להנחות את בדיקות הבטיחות הספציפיות לפנינים, אך אין לפרשן כראיה ישירה לכך שאבקת ננו-פנינים גורמת לדפוס פגיעה זהה.

סקירה ופרספקטיבה

הרכב ופעילות ביולוגית של אבקת פנינים, נacre ומטריקס מסיס במים
Nacre אינו פשוט סידן פחמתי. חומר המעטפת נושא מטריקסים אורגניים מסיסים ובלתי מסיסים בתוך הפאזה המינרלית. חלבונים מסיסים מ-nacre יכולים לשנות את שיקיעת הסידן הפחמתי, ומחקרי פרוטאומיקה של WSM זיהו חלבונים בעלי פעילות אוסטאוגנית אפשרית, כולל קישור למינרלים, ארגון המטריקס ואיתות דמוי גורמי גדילה3,4,5. לפיכך, טענות לגבי הפעילות הביולוגית של WSM צריכות לציין את המין, שיטת המיצוי, הפרקציה והמודל שבו נעשה שימוש, במקום להתייחס ל-WSM כאל חומר בודד שניתן להחליפו.

הכנה ואפיון של אבקת ננו-פנינים
יש לדווח על רשימת בדיקות אפיון מינימלית לפני ביצוע בדיקות ביולוגיות: מין ומקור הרקמה, שיטת עיקור, התפלגות גודל החלקיקים, מורפולוגיה, פאזה גבישית, פוטנציאל זטא, יציבות דיספרסיה במצע תרבית, מצב אגרגציה, סטטוס אנדוטוקסינים או עומס ביולוגי במידת הרלוונטיות, תכולת WSM, פרופיל חלבונים, שחרור יוני סידן, קינטיקת שחרור WSM, ושחזור בין סדרות ייצור. מחקרים צריכים לכלול גם בקרות המפרידות בין השפעות של סידן פחמתי להשפעות של המטריצה האורגנית, כגון חלקיקים של סידן פחמתי בלבד, WSM דל בחלבונים או כזה שעובד באנזימים, בקרות שאינן פנינים בעלות גודל חלקיקים תואם, בקרות של פיגום בלבד ובקרות של WSM בלבד, במידת היכולת.

עבודות עדכניות על פיגומים מראות כי ניתן לשלב חומרים המופקים מפנינים עם אסטרטגיות ייצור מודרניות. WSM של פנינה, אבקת פנינה ושלבים המדמים פנינה שולבו בפיגומים נקבוביים, שכבתיים ומודפסים6,7,8. מחקרי הייצור האדיטיבי שהומלצו במהלך הסקירה מדגישים עוד יותר ארכיטקטורה מבוקרת, התנהגות של זיכרון צורה, פונקציונליות פוטו-תרמית וחיזוק קומפוזיטי ככיווני תכנון רלוונטיים עבור פגמים מורכבים9,10,11,12,13. עבור ביו-חומרים המופקים מפנינים, יש להעריך שיטות אלו לצד התנהגות השחרור ומדדי עקה של תאים, כיוון שארכיטקטורת הפיגום יכולה לשנות הן את האיתות האוסטאוגני והן את החשיפה לציטוטוקסיות.

השפעות אוסטאוגניות של חומרים המופקים מפנינים
יש לפרש את עוצמתו של הראיה האוסטאוגנית על פי היררכיית נקודות סיום. חיוניות תאים והתרבות תאים מעידים על סבילות אך אינם מוכיחים אוסטאוגנזה. פוספטאז אלקלי (ALP) וגורם שעתוק 2 הקשור ל-Runt‏ (Runx2) מעידים על דיפרנציאציה מוקדמת. קולגן I, אוסטאופונטין (OPN), אוסטאוקלצין (OCN) וחלבון מורפוגנטי של העצם 2 (BMP-2) מספקים ראיות מאוחרות יותר לאיתות הקשור למטריקס. צביעת אליזרין אדום ושקיעת מינרלים תומכים בבגרות, במיוחד כאשר הם מנורמלים למספר התאים. דימות In vivo, היסטולוגיה, אינטגרציה מכנית וסגירת פגמים מספקים ראיות חזקות יותר לתיקון מאשר שינויים מבודדים במסמנים. מספר דיווחים ספציפיים לפנינים תומכים בנקודות סיום אוסטאוגניות מוקדמות ומאוחרות, אך נורמליזציה למספר התאים, קינטיקה של שחרור ובטיחות רקמה לטווח ארוך עדיין מדווחים באופן לא עקבי1,6,7,8,14,15,16,17.

סוג המחקר/הראיהחומר/מודלמינון או משך זמןנקודות קצה אוסטאוגניותסמני אוטופגיה שנמדדורמת ראיות/מגבלות
מחקר מקורי1נקר (Nacre); תאי מח עצם ויצירת עצם in vivoNRהיווצרות עצם ותגובה תאיתלאראיות אוסטאוגניות ישירות; דיווחים ממודלים ישנים יותר
מחקר מקורי2Nacre WSM; MC3T3-E1NRמינרליזציה מוקדמת יותרלאאות ספציפי ל-WSM; זיהוי רכיבים חסר
מחקר מקורי14חומרים ביולוגיים פעילים מנקר מסיסי מים; בדיקות אוסטאובלסטיםNRפעילות נוגדת חמצון וסמני דיפרנציאציהלאתומך בפעילות ביולוגית; סטנדרטיזציה של המינון מוגבלת
מחקר מקורי15חלקיקי ננו-נקר; MC3T3-E1שחרור מבוקר של WSM/סידן; מינון השוואתי מדויק של NR בטבלה זוסמנים לאינדוקציה אוסטאוגניתלאקשרים לשחרור לעבר אוסטאוגנזה; נקודות קצה של בטיחות מוגבלות
מחקר מקורי16אבקת ננו-פנינים מסיסה במים; MC3T3-E1NR בכתב יד שהופקסמנים אוסטאוגניים ודיפרנציאציהכןאוטופגיה הקשורה לדפרנציאציה; נדרשת הרחבה של הראיות לגבי שטף (flux) והצלה (rescue)
מחקרי פיגומים מקוריים6-8תרכובות WSM/אבקת פנינה/נגזרות פנינה במודלים של פיגומים או פגמיםאינו רלוונטי (NR) או ספציפי למודלמינרליזציה, היסטולוגיה, תיקון פגמיםבדרך כלל לאבעל רלוונטיות תרגומית; ארכיטקטורת הפיגום מעוותת את השפעת הרכיב

טבלה 1: מחקרים מייצגים של חומרים המופקים מפנינים באוסטאוגנזה ובתיקון עצם. הטבלה מבדילה בין מחקרים מקוריים לבין ראיות רחבות יותר על פיגומים, ומשתמשת ב-NR עבור פרטים שלא דווחו במקור שחולץ. קיצורים: ALP = alkaline phosphatase; OCN = osteocalcin; OPN = osteopontin; BMP-2 = bone morphogenetic protein 2; ARS = alizarin red staining; NR = לא דווח.

ציטוטוסיות, עקה חמצונית ועקה מיטוכונדריאלית
נתונים של ננו-חלקיקים המשמשים כבקרות (Comparator) רלוונטיים באמצעות משתני חשיפה ניתנים להעברה: גודל חלקיקים, מספר חלקיקים, אגרגציה, מטען פני, קורונת חלבונים, נתיב ספיגה, עומס ליסוזומלי, מדד מינון, משך החשיפה, ייצור ROS, פוטנציאל ממברנה מיטוכונדריאלי, ונקודות קצה של אפופטוזה או נמק. הם אינם ניתנים להעברה ישירה עבור הרכב ספציפי לחומר, שחרור WSM, סיגנל המתווך על ידי חלבונים, ביודגרדציה או אימונוגניות. על כן, עבודות ספציפיות לפנינה צריכות לבחון את אותן נקודות קצה של עקה באופן ישיר, במקום לשאול מסקנות רעילות מחומרים שאינם פנינים18,19,20,21,22,23,24,25,26,27.

סוגיות בטיחות הקשורות לתרגום קליני
תרגום קליני דורש בחינה של שאלות בטיחות מעבר לציטוטוקסיות של ננו-חלקיקים בטווח הקצר. יש לסנן אבקת פנינים ותכשירי נגזרת נacre לשאריות של מתכות כבדות, כולל עופרת, כספית, קדמיום וארסן, והגבולות צריכים להיות תואמים לדרישות הפרמקופיה או לדרישות איכות של חומרים ביומטריים28. WSM מכיל גם חלבונים זרים המופקים מהקונכייה, ולכן יש להעריך אימונוגניות, הפעלת משלימה, קיטוב של מקרופאגים וזיכרון דלקתי. יש להתאים את קצב הפירוק לקצב התחדשות העצם, ויש לעקוב אחר תוצרי הפירוק דרך הרקמה המקומית, הדם, הכבד, הכליות ומסלולי ההפרשה. עדיין נדרשים מחקרי חיות גדולות בפגמים נושאי עומס או פגמים בעלי רלוונטיות קלינית לפני שניתן יהיה להכליל את הבטיחות הכרונית.

אוטופגיה כתגובה למעקה תאי
אוטופגיה היא תהליך מיחזור המבוסס על ליזוזומים. אוטופגיה מגנה מתייחסת להגברה של היווצרות ופינוי של אוטופגוזומים המשמרים את החיוניות, את איכות המיטוכונדריה, את מאזן החמצון-חיזור ואת יכולת הדיפרנציאציה. אוטופגיה לקויה מתייחסת לחסימה של הזרימה (flux), עומס ליזוזומלי מופרז, הצטברות של LC3-II או p62 ללא פינוי, או מוות הקשור לאוטופגיה ואובדן של תפקוד אוסטאוגני. שינויים ב-Microtubule-associated protein 1 light chain 3 (LC3), sequestosome 1 (p62) ו-Beclin-1 לבדם אינם יכולים להבחין בין מצבים אלו; נדרשים bafilomycin A1, chloroquine, מודולציה גנטית, ניתוח של מהלך הזמן (time-course analysis) ומערכי הצלה של חיוניות (viability-rescue) כדי לתקף את הזרימה ואת הסיבתיות29,30,31,32.

מסלולים מולקולריים שבאמצעותם WSM עשוי לווסת אוטופגיה
המנגנון הישיר ביותר הספציפי לפנינה נותר תגובת האוטופגיה וההבדלה הקשורה ל-mitogen-activated protein kinase kinase/extracellular signal-regulated kinase (MEK/ERK) שדווחה בתאי MC3T3-E116. ספרות רחבה יותר על אוסטאובלסטים וחומרים ביו-סינתטיים מרמזת על אפשרות לקשרי גומלין (crosstalk) עם AMP-activated protein kinase (AMPK), phosphoinositide 3-kinase/protein kinase B/mammalian target of rapamycin (PI3K/AKT/mTOR), sirtuin 1 (SIRT1), שיועוץ של mitogen-activated protein kinase (MAPK) הרגיש ל-ROS, Yes-associated protein (YAP)/beta-catenin, mTOR/unc-51-like autophagy activating kinase 1 (ULK1), ומסלולים הקשורים למיטופגיה29,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41. נכון להיום, הרצפטורים ומרכיבי ה-WSM המניעים אותות אלו טרם הוגדרו באופן מספיק. בהתבסס על ראיות פרוטאומיות, קלטים פוטנציאליים כוללים חלבונים קושרים מינרלים, חלבונים דמויי-אוסטאוקלצין או חלבונים מארגני מטריצה, ומוטיבי שיועוץ הקשורים למשפחת transforming growth factor-beta, אך קשרים מוצעים אלו מחייבים ניסויי פרקציונציה, חסימת רצפטורים, הפרעה גנטית וניסויי הצלה (rescue).

תפקיד כפול של אוטופגיה בדיפרנציאציה אוסטאוגנית
ראיות ספציפיות לפנינה מראות בעיקר את הצד המועיל. Cheng וחב' דיווחו כי אבקת ננו-פנינה ממיס במים הגבירה סממנים אוסטאוגניים בתאי MC3T3-E1 וכי עיכוב של האוטופגיה החליש את תגובת הדיפרנציאציה16. דבר זה תומך בקשר ובתרומה אפשרית של אוטופגיה במודל זה. אין להתייחס לכך כהוכחה לכך שאוטופגיה היא המתווך הסיבתי האוניברסלי עבור כל הפורמולציות המופקות מפנינים, כיוון שמעכבים פרמקולוגיים עלולים לגרום להשפעות לא ספציפיות (off-target effects), ומחקרים רבים לא שילבו תיקוף של שטף (flux validation) עם גישות גנטיות או גישות הצלה (rescue approaches).

הקשרנתוני סממני אוטופגיהשיטת בדיקת שטף אוטופגיהתוצאהפרשנות
אבקת ננו-פנינה מסיסה במים; MC3T3-E1דווח על שינויים במסלול LC3/p62תיקוף השטף דווח באופן חלקי בכתב היד שהופקסממנים אוסטאוגניים גבוהים יותר; מעכב החליש את התגובהקשר ספציפי לפנינה עם דיפרנציאציה
עקה חמצונית/מטבולית באוסטאובלסטיםשינויים ב-LC3, p62, Beclin-1, AMPK או PI3K/AKT/mTORמשתנה; לעיתים קרובות נדרש bafilomycin A1/chloroquineהגנה או אפופטוזיס בהתאם לסוג העקהמגדיר אוטופגיה מגנה לעומת אוטופגיה לא תקינה
מחקרי השוואה של טיטניום/כסף/סיליקה/טנטלום/דיקלציום סיליקטLC3/p62 ושינויים במסלוליםמשתנה; חלקים כוללים בדיקות שטף או מודולציהאוסטאוגנזה, פרוליפרציה או פגיעהמהווה בסיס להשערות עבור מחקרי פנינה
פורמולציות עתידיות המופקות מפנינהLC3-II, p62, Beclin-1, סממני מיטופגיהנדרש: מעכב ליסוזומלי בתוספת סדרת זמנים, הצלה גנטית במידת האפשרחיוניות, ROS, פוטנציאל מיטוכונדריאלי, מינרליזציהנדרש לסיווג תגובה אדפטיבית, ניטרלית או מזיקה

טבלה 2: ראיות לאוטופגיה הרלוונטיות לתגובות של אוסטאובלסטים וחומרים ביולוגיים. הטבלה מפרידה בין מחקרים שהסתמכו על סממנים בלבד לבין מחקרים שדרשו תיקוף של שטף (flux), ומבדילה בין ראיות ספציפיות לפנינים לבין השערות שנגזרו ממשוואות השוואה. קיצורים: LC3 = microtubule-associated protein 1 light chain 3; p62 = sequestosome 1; TEM = מיקרוסקופיית אלקטרונים חודרת; NR = לא דווח.

ציר ציטוטוקסיות-אוטופגיה-אוסטאוגנזה המתווך על ידי WSM
הציר המוצע הוא מודל הניתן לבדיקה, ולא נתיב מבוסס. החלק הספציפי לפניגליאות הוא חשיפה ל-WSM או לננו-פנינים הקשורה לסמנים אוסטאוגניים במודלים נבחרים של תאים ופיגומים. החלק הנגזר מהמשוואה הוא הענף של עקה גבוהה הכולל ROS, פגיעה מיטוכונדריאלית, עומס ליסוזומלי ואוטופגיה חסומה. ההיפותזה שיש לתקף היא שאוטופגיה אדפטיבית הופכת לאוטופגיה תפולה ולאוסטאוגנזה מופחתת בסף ספציפי.

בהתבסס על לוגיקה זמינה של תגובה למס, ניתן להגדיר שלושה אזורים זמניים שיכולים להנחות את הניסויים. אזור המעודד אוסטאוגנזה (osteogenesis) ישמור על חיות התאים, יתחזק את פוטנציאל ממברנת המיטוכונדריה, ימנע הצטברות מושהית של ROS, יראה זרימה אוטופגית מלאה ויעלה את המינרליזציה לאחר נורמליזציה למספר התאים. אזור ללא השפעה ניכרת יראה סבילות לחומר ללא עלייה משמעותית באוסטאוגנזה. אזור של פגיעה רעילה יראה ירידה בחיות, ROS מתמשך, תפקוד מיטוכונדריאלי לקוי, הצטברות p62 או חסימה של הזרימה, הפעלה דלקתית וירידה בנקודות קצה אוסטאוגניות. גודל החלקיקים, מצב האגרגציה, משך החשיפה וקצב שחרור ה-WSM עשויים להסיט אזורים אלו (איור 1).

דיאגרמת ציטוטוקסיות של WSM המתארת את ציר האוטופגיה-אוסטאוגנזה, המציגה מסלולי עקה תאית.
איור 1: מסגרת עבודה ממופה-ראיות של ציטוטוקסיות של WSM, אוטופגיה ואוסטאוגנזה. חצים מלאים מצביעים על קשרים הנתמכים על ידי מחקרים ספציפיים לפירלה (pearl), כולל השפעות נבחרות של WSM או ננו-פירלות על סמנים אוסטאוגניים. חצים מקווקווים מצביעים על קשרים היפותטיים או כאלו הנגזרים מהשוואה, כולל הצטברות ROS, פגיעה מיטוכונדריאלית, עומס ליסוזומלי, אוטופגיה חסומה וירידה באוסטאוגנזה. קיצורים: WSM = מטריצה מסיסה במים; ROS = מיני חמצן רקוטיביים. אנא לחצו כאן כדי להציג גרסה מוגדלת של דמות זו.

אתגרים ומגבלות
מאמר זה הוא סקירה נרטיבית ולא סקירה סיסטמטית. המחקרים נבחרו כדי למפות ראיות אוסטאוגניות ספציפיות לפנינה, ראיות על הרכבי nacre/WSM, מודלים של פיגומים ותיקון פגמים, ומחקרי ננו-חלקיקים השוואתיים הרלוונטיים לעקה חמצונית, פגיעה מיטוכונדריאלית ואוטופגיה. לא בוצעו מטא-אנליזה רשמית, דירוג סיכון להטיה או פרוטוקול חיפוש סיסטמטי מקיף. לפיכך, יש לפרש סקירה זו כמיפוי ראיות וסדר יום מחקרי ולא כהערכה כמותית של גודל האפקט.

עוצמת הראיות משתנה בהתאם לטענה. פעילות אוסטאוגנית ישירה בחומרים נבחרים המופקים מפנינים נתמכת במידה מתונה. השפעות ספציפיות ל-WSM הן סבירות, אך תלויות בהכנה. תועלת המתווכת על ידי פיגום נתמכת רק במידה מתונה ומושפעת מגורמים ארכיטקטוניים ומאפקטים של נשאי החומר. תיקון in vivo הוא מבטיח, אך נותר מוגבל בשל משך המעקב ונקודות קצה של בטיחות. ציטוטוקסיות במינונים גבוהים הספציפית לפנינים ופגיעה המתווכת על ידי אוטופגיה נותרות נתמכות באופן חלש או היפותטי, עד שייאספו נתונים על שטף, ROS, מיטוכונדריה, דלקת ונתוני in vivo ארוכי טווח.

פרספקטיבות עתידיות
הסדרי העדיפות לטווח הקצר הם סטנדרטיזציה של אפיון החומר, זיהוי רכיבים פעילים ב-WSM וקביעת דרישות מינימליות לבדיקת זרימת האוטופגיה (autophagy-flux assay). פרוטוקול מומלץ לאותה סדרה (same-batch protocol) צריך למדוד גודל חלקיקים, מורפולוגיה, פוטנציאל זטא, פאזה גבישית, אגרגציה במצע, פרופיל שחרור WSM, שחרור סידן, ROS, פוטנציאל ממבנה מיטוכונדריאלי, תפקוד ליזוזומלי, זרימה אוטופגית, חיות, ALP, Runx2, OPN, OCN ומינרליזציה. בדיווחים יש לציין את מדד המינון, מצב הסרום, משך החשיפה, נורמליזציה למספר התאים, והאם נעשה שימוש במעכבי זרימה כגון bafilomycin A1 או chloroquine.

המטרות לטווח ארוך הן להגדיר חלונות מינון מותאמים אישית או ספציפיים לפגם, להעריך בטיחות לטווח ארוך במודלים של בעלי חיים גדולים, להשוות את קצב הפירוק לקצב התחדשות העצם, ולהשלים תיקוף פרה-קליני רב-מרכזי. קריטריוני Go/no-go צריכים לכלול חיוניות חריפה ומאוחרת מקובלת, היעדר ROS מתמשך או פגיעה מיטוכונדריאלית, מינרליזציה שנשמרה או גברה לאחר נורמליזציה למספר התאים, שחרור WSM הניתן לשחזור, היעדר דלקת כרונית או תגובת רקמה אקטופית, פרופילים מקובלים של מתכות כבדות ואנדוטוקסינים, ותוצרי פירוק התואמים למטבוליזם מקומי ומערכתי (איור 2).

דיאגרמה של השפעות כפולות תלויות-מינון; השפעות של אבקת ננו-פנינה על אוטופגיה ואוסטאוגנזה בהתאם למינון.
איור 2: מודל חלון-מינון עבור ביו-חומרים המופקים מפנינים. אזור החשיפה הנמוכה עד המתונה מייצג את החלון המשוער לקידום אוסטאוגנזה; האזור המרכזי מייצג סבילות ללא תועלת ברורה; ואזור החשיפה הגבוהה או הממושכת מייצג היפותזה הדורשת תיקוף ספציפי לפנינים. תוויות החצים מצביעות על כך שגודל החלקיקים, אגרגציה, שחרור WSM ומשך החשיפה יכולים להסיט את גבולות האזורים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

מסקנות

פורמולציות נבחרות המופקות מפנינים ומכילות WSM מראות פוטנציאל אוסטאוגני במודלים פרה-קליניים ספציפיים, אך לא ניתן עדיין להכליל ראיה זו על כל פורמולציות הננו-פנינים או ה-WSM ללא בדיקות סטנדרטיות של מינון, שחרור, שטף אוטופגי ובטיחות. הראיות הישירות החזקות ביותר נוגעות לקידום אוסטאוגני במערכות תאים ופיגומים מוגדרות, בעוד שהראיות לרעילות ספציפית של פנינים במינון גבוה, אוטופגיה לקויה, אימונוגניות, סיכון למתכות כבדות ובטיחות ביולוגית כרונית נותרות חלשות יותר ולעתים קרובות מוסמכות מחומרי השוואה. לפיכך, על התחום להתייחס למערכות WSM וננו-פנינים כמועמדים מבטיחים אך לא מתוקפים באופן מלא של ביו-חומרים, כאשר מחקרים עתידיים יעדיפו אפיון הדיר, הגדרת חלון מינון והערכה מקבילה של נקודות סיום אוסטאוגניות ובטיחותיות.

גילויים

למחברים אין ניגודי עניינים להצהיר עליהם.

תודות

המחברים מודים לפרויקט החדשנות של כישרונות המדע והטכנולוגיה של מחוז היינאן על התמיכה. סקירה זו מומנה על ידי הפרויקט של כישרונות המדע והטכנולוגיה של מחוז היינאן (KJRC2023D25).

מקורות

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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).
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. Chaturvedi R, Singha PK, Dey S. Water soluble bioactives of nacre mediate antioxidant activity and osteoblast differentiation. PLoS One. 2013;8(12).
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 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.
  21. 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.
  22. Ye M, Shi B. Zirconia nanoparticles-induced toxic effects in osteoblast-like 3T3-E1 cells. Nanoscale Res Lett. 2018;13(1):353.
  23. 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).
  24. Andrée L, et al. Effect of hydroxyapatite nanoparticle crystallinity and colloidal stability on cytotoxicity. ACS Biomater Sci Eng. 2024;10(11):6964-73.
  25. 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.
  26. 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.
  27. 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.
  28. 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.
  29. 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.
  30. 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.
  31. 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.
  32. 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.
  33. 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.
  34. 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.
  35. Shi Y, et al. Monotropein attenuates oxidative stress via Akt/mTOR-mediated autophagy in osteoblast cells. Biomed Pharmacother. 2020;121:109566.
  36. 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.
  37. 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.
  38. 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.
  39. Kang C, et al. Involvement of autophagy in tantalum nanoparticle-induced osteoblast proliferation. Int J Nanomedicine. 2017;12:4323-33.
  40. Kang C, et al. Assessment of tantalum nanoparticle-induced MC3T3-E1 proliferation and underlying mechanisms. J Mater Sci Mater Med. 2021;32(11):133.
  41. Li L, et al. Nanotopography on titanium promotes osteogenesis via autophagy-mediated signaling between YAP and β-catenin. Acta Biomater. 2019;96:674-85.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

מטריצה מסיסה במים של פנינההתמיינות אוסטאוגניתרגנרציה של עצםהתנהגות אוסטאובלסטיםשיקוע מינרליםתגובה לעקה תאיתזרימה אוטופגיתבדיקת תגובה למינוןבטיחות בביומטריאלים
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.