Proszek z naniołków oraz pochodząca z masy perłowej macierz rozpuszczalna w wodzie w osteogenezie: dowody, luki mechanistyczne i kwestie bezpieczeństwa

Wenbo Zhang; Binping Wang; Deyu Liu

doi:10.3791/72185

Artykuł przeglądowy

Proszek z naniołków oraz pochodząca z masy perłowej macierz rozpuszczalna w wodzie w osteogenezie: dowody, luki mechanistyczne i kwestie bezpieczeństwa

62 wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/72185

⸱

3 września 2026

Wenbo Zhang¹ , Binping Wang² , Deyu Liu³

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

W tym artykule

Podsumowanie

Niniejszy przegląd ocenia proszek perłowy, masę perłową oraz pochodzącą z niej rozpuszczalną w wodzie macierz (WSM) jako potencjalne biomateriały osteogenne. Podkreśla on silniejsze, specyficzne dla pereł dowody na aktywność osteogenną niż na cytotoksyczność przy wysokich dawkach lub uszkodzenia pośredniczone przez autofagię, a także wskazuje na potrzebę standaryzacji charakterystyki, testów zależności dawka-odpowiedź, testów stresowych, walidacji strumienia autofagicznego oraz dłuższej oceny bezpieczeństwa in vivo.

Streszczenie

Proszek perłowy, masa perłowa oraz pochodząca z niej rozpuszczalna w wodzie macierz (WSM) to naturalne materiały mineralno-organiczne o rosnącym znaczeniu w badaniach nad regeneracją kości. Ich aktywność biologiczna wydaje się zależeć nie tylko od zawartości węglanu wapnia, ale także od rozpuszczalnych składników macierzy, które mogą wpływać na zachowanie osteoblastów, depozycję minerałów oraz komórkowe odpowiedzi stresowe. Niniejszy przegląd narracyjny porównuje badania osteogenne specyficzne dla pereł w modelach komórkowych, rusztowaniach i modelach naprawy ubytków z wybranymi badaniami nad nanocząsteczkami porównawczymi, wykorzystanymi do sformułowania nierozwiązanych kwestii dotyczących bezpieczeństwa. Literatura dotycząca pereł ogólnie potwierdza aktywność osteogenną, szczególnie w modelach preosteoblastów lub linii osteoblastów oraz w materiałach zawierających WSM, jednak dowody pozostają niejednorodne, ponieważ źródło gatunkowe, metoda ekstrakcji, rozmiar cząsteczek, charakterystyka uwalniania, dawka i dobór punktów końcowych różnią się w zależności od badania. Dowody łączące nanoproszek perłowy z różnicowaniem osteogennym związanym z autofagią są obiecujące, zwłaszcza w modelach MC3T3-E1, lecz istniejąca literatura specyficzna dla pereł dostarcza ograniczonych bezpośrednich dowodów na toksyczność przy wysokich dawkach, upośledzenie przepływu autofagicznego, immunogenność, ryzyko związane z metalami ciężkimi, naprawę dopasowaną do degradacji lub chroniczne bezpieczeństwo biologiczne. Przyszłe prace powinny zintegrować charakterystykę materiału, testy zależności dawka-odpowiedź, odczyty oksydacyjne i mitochondrialne, analizę przepływu autofagicznego oraz punkty końcowe osteogenne w ramach jednego projektu eksperymentalnego. Takie badania będą niezbędne, aby określić, czy formulacje oparte na WSM lub nanoperłach mogą zapewnić powtarzalne i bezpieczne okno osteogenne dla rozwoju biomateriałów do regeneracji kości.

Wprowadzenie

Naprawa kości wiąże się z dwiema podstawowymi potrzebami. Materiał musi wypełnić ubytek, a jednocześnie wspomóc komórki linii osteoblastycznej w tworzeniu macierzy zewnątrzkomórkowej i mineralizacji. Lamghari i wsp. wykazali, że masa perłowa stymulowała komórki szpiku kostnego i wspierała tworzenie kości. Rousseau wykazał, że rozpuszczalna w wodzie frakcja macierzy (WSM) masy perłowej przyspiesza rozpoczęcie mineralizacji preosteoblastów MC3T3-E1¹^,². Konwencjonalne autoszczepy, alloszczepy, hydroksyapatyt oraz beta-fosforan trójwapnia pozostają użyteczne, jednak ich zastosowanie może być ograniczone przez zachorowalność w miejscu pobrania przeszczepu, ograniczoną dostępność, zmienną integrację, kruchość, powolną przebudowę lub niewystarczające sygnalizowanie biologiczne. Z tego powodu materiały pochodzące z pereł są badane jako aktywne, naturalne alternatywy mineralno-organiczne, a nie tylko jako proste wypełniacze z węglanu wapnia.

Perły i masa perłowa są ze sobą powiązane, lecz nie są identyczne. Proszek perłowy powstaje z ciała perły i zawiera węglan wapnia z mniejszą frakcją organiczną, natomiast masa perłowa to warstwa muszli z wysoce zorganizowaną, lamelarną architekturą aragonitu i substancji organicznej. WSM pochodząca z masy perłowej to rozpuszczalna frakcja ekstrahowana z tej macierzy. Różnice te mają znaczenie, ponieważ ekspozycja na cały proszek, ekspozycja na ekstrakt rozpuszczalny, inkorporacja w rusztowanie oraz ekspozycja na cząstki w nanoskali mogą prowadzić do odmiennych profili uwalniania, wzorców kontaktu komórkowego i efektów biologicznych.

Niniejszy przegląd wykorzystuje badania porównawcze nad nanocząsteczkami wyłącznie jako sygnały zagrożenia i dowody służące do generowania hipotez. Dwutlenek tytanu, srebro, hydroksyapatyt, cyrkonia oraz inne nanocząsteczki niebędące perłami mogą zwiększać poziom reaktywnych form tlenu (ROS), upośledzać funkcje mitochondriów, obciążać lizosomy i zmieniać autofagię w modelach związanych z osteoblastami. Efekty te powinny kierować testami bezpieczeństwa specyficznymi dla pereł, lecz nie należy ich interpretować jako bezpośredniego dowodu na to, że nano-proszek perłowy wywołuje taki sam wzorzec uszkodzeń.

Przegląd i perspektywa

Skład i bioaktywność proszku perłowego, masy perłowej i macierzy rozpuszczalnej w wodzie
Masa perłowa nie składa się wyłącznie z węglanu wapnia. Materiał muszli zawiera rozpuszczalne i nierozpuszczalne macierze organiczne wewnątrz fazy mineralnej. Rozpuszczalne białka masy perłowej mogą modyfikować precypitację węglanu wapnia, a badania proteomiczne WSM zidentyfikowały białka o potencjalnej aktywności osteogennej, w tym wiązanie minerałów, organizację macierzy oraz sygnalizację podobną do czynników wzrostu³^,⁴^,⁵. Twierdzenia dotyczące bioaktywności WSM powinny zatem określać gatunek, metodę ekstrakcji, frakcję i zastosowany model, zamiast traktować WSM jako jednolity, zamienny materiał.

Przygotowanie i charakterystyka proszku z nano-pereł
Przed badaniami biologicznymi należy przedstawić minimalną listę parametrów charakterystyki: gatunek i tkankę źródłową, metodę sterylizacji, rozkład wielkości cząstek, morfologię, fazę krystaliczną, potencjał zeta, stabilność dyspersji w pożywce hodowlanej, stan agregacji, status endotoksyn lub obciążenia mikrobiologicznego (jeśli dotyczy), zawartość WSM, profil białkowy, uwalnianie jonów wapnia, kinetykę uwalniania WSM oraz powtarzalność między partiami. Badania powinny również obejmować kontrole pozwalające oddzielić efekty węglanu wapnia od efektów macierzy organicznej, takie jak cząstki składające się wyłącznie z węglanu wapnia, WSM pozbawione białek lub traktowane enzymatycznie, kontrole nieperełkowe o dopasowanej wielkości cząstek, kontrole samego rusztowania oraz kontrole samej WSM, w zależności od zastosowania.

Niedawne prace nad rusztowaniami wykazują również, że materiały pochodzące z pereł mogą być integrowane z nowoczesnymi strategiami produkcyjnymi. WSM z masy perłowej, proszek z masy perłowej oraz fazy naśladujące masę perłową zostały włączone do porowatych, warstwowych i drukowanych rusztowań⁶^,⁷^,⁸. Badania nad wytwarzaniem przyrostowym zalecane podczas przeglądu dodatkowo podkreślają, że kontrolowana architektura, właściwości z pamięcią kształtu, funkcjonalność fototermiczna oraz wzmacnianie kompozytowe są istotnymi kierunkami projektowymi w przypadku złożonych defektów⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³. W przypadku biomateriałów pochodzących z pereł metody te powinny być oceniane wraz z charakterystyką uwalniania i punktami końcowymi stresu komórkowego, ponieważ architektura rusztowania może zmieniać zarówno sygnalizację osteogenną, jak i ekspozycję cytotoksyczną.

Efekty osteogenne materiałów pochodzących z pereł
Siłę dowodów na osteogenezę należy interpretować zgodnie z hierarchią punktów końcowych. Żywotność i proliferacja komórek wykazują tolerancję, ale nie dowodzą osteogenezy. Fosfataza alkaliczna (ALP) oraz czynnik transkrypcyjny Runx2 wskazują na wczesne różnicowanie. Kolagen I, osteopontyna (OPN), osteokalcyna (OCN) i białko morfogenetyczne kości-2 (BMP-2) stanowią późniejsze dowody na sygnalizację związaną z macierzą. Barwienie alizaryną czerwieną i depozycja minerałów potwierdzają dojrzewanie, szczególnie po normalizacji do liczby komórek. Obrazowanie in vivo, histologia, integracja mechaniczna i zamknięcie ubytku stanowią silniejsze dowody na naprawę niż izolowane zmiany markerów. Wiele raportów dotyczących pereł potwierdza wczesne i późne punkty końcowe osteogenezy, jednak normalizacja do liczby komórek, kinetyka uwalniania oraz długoterminowe bezpieczeństwo tkankowe są wciąż raportowane w sposób niespójny¹^,⁶^,⁷^,⁸^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷.

Typ badania/dowodu	Materiał/model	Dawka lub czas trwania	Punkty końcowe osteogenezy	Pomiar markerów autofagii	Poziom/ograniczenia dowodów
Badanie oryginalne¹	Masa perłowa; komórki szpiku i tworzenie kości in vivo	NR	Tworzenie kości i odpowiedź komórkowa	Nie	Bezpośrednie dowody osteogenne; raportowanie w starszym modelu
Badanie oryginalne²	Nacre WSM; MC3T3-E1	NR	Wcześniejsza mineralizacja	Nie	Sygnał specyficzny dla WSM; niepełna tożsamość komponentu
Badanie oryginalne¹⁴	Rozpuszczalne w wodzie substancje bioaktywne z masy perłowej; testy z użyciem osteoblastów	NR	Aktywność przeciwutleniająca i markery różnicowania	Nie	Wspiera bioaktywność; ograniczona standaryzacja dawki
Badanie oryginalne¹⁵	Cząsteczki nano-masperły; MC3T3-E1	Kontrolowane uwalnianie WSM/wapnia; dokładna dawka porównawcza NR w tej tabeli	Markery indukcji osteogenicznej	Nie	Powiązania z osteogenezą; ograniczone punkty końcowe bezpieczeństwa
Badanie oryginalne¹⁶	Rozpuszczalny w wodzie proszek z naniperły; MC3T3-E1	NR w wyekstrahowanym manuskrypcie	Markery osteogenne i różnicowanie	Tak	Autofagia związana z różnicowaniem; dowody dotyczące strumienia i reskue wymagają rozszerzenia
Badania nad rusztowaniami (tekst oryginalny)^6-8	Kompozyty WSM/proszku z masy perłowej/pochodne masy perłowej w modelach rusztowań lub defektów	niezależny od modelu lub specyficzny dla modelu	Mineralizacja, histologia, naprawa ubytku	Zazwyczaj nie	Istotne translacyjnie; architektura rusztowania maskuje efekt komponentu

Tabela 1: Reprezentatywne badania nad materiałami pochodzenia perłowego w osteogenezie i regeneracji kości. Tabela rozróżnia badania oryginalne od szerszych dowodów dotyczących rusztowań i używa skrótu NR dla szczegółów niewymienionych w wyekstrahowanym źródle. Skróty: ALP = fosfataza alkaliczna; OCN = osteokalcyna; OPN = osteopontyna; BMP-2 = białko morfogenetyczne kości 2; ARS = barwienie alizaryną czerwoną; NR = nie podano.

Cytotoksyczność, stres oksydacyjny i stres mitochondrialny
Dane dotyczące nanocząstek porównawczych są istotne poprzez przenaszalne zmienne ekspozycji: rozmiar cząstek, liczbę cząstek, agregację, ładunek powierzchniowy, koronę białkową, drogę pobrania, obciążenie lizosomalne, miarę dawki, czas trwania ekspozycji, produkcję ROS, potencjał błony mitochondrialnej oraz punkty końcowe apoptozy lub nekrozy. Nie są one bezpośrednio przenaszalne w odniesieniu do składu specyficznego dla materiału, uwalniania WSM, sygnalizacji zapśredniczonej przez białka, biodegradacji lub immunogenności. Dlatego prace dotyczące konkretnie pereł powinny bezpośrednio testować te same punkty końcowe stresu, zamiast zapożyczać wnioski dotyczące toksyczności z materiałów niebędących perłami¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹^,²²^,²³^,²⁴^,²⁵^,²⁶^,²⁷.

Kwestie bezpieczeństwa związane z translacją kliniczną
Translacja kliniczna wymaga rozpatrzenia kwestii bezpieczeństwa wykraczających poza krótkoterminową cytotoksyczność nanocząsteczek. Preparaty z proszku perłowego i pochodne masy perłowej powinny zostać przebadane pod kątem pozostałości metali ciężkich, w tym ołowiu, rtęci, kadmu i arsenu, a ich limity powinny być zgodne z wymogami farmakopealnymi lub standardami jakości biomateriałów²⁸. WSM zawiera również heterologiczne białka pochodzące z muszli, dlatego należy ocenić immunogenność, aktywację dopełniacza, polaryzację makrofagów oraz pamięć zapalną. Szybkość degradacji powinna być dopasowana do tempa regeneracji kości, a produkty degradacji powinny być śledzone w tkankach miejscowych, krwi, wątrobie, nerkach oraz w drogach wydalniczych. Przed uogólnieniem wniosków dotyczących bezpieczeństwa przewlekłego wciąż niezbędne są badania na dużych zwierzętach w modelach defektów obciążonych mechanicznie lub istotnych klinicznie.

Autofagia jako komórkowa odpowiedź na stres
Autofagia jest procesem recyklingu opartym na lizosomach. Autofagia protekcyjna odnosi się do zwiększonego tworzenia i usuwania autofagosomów, co pozwala zachować żywotność, jakość mitochondriów, równowagę redoks oraz zdolność do różnicowania. Dysfunkcyjna autofagia odnosi się do zablokowanego strumienia (flux), nadmiernego obciążenia lizosomalnego, akumulacji LC3-II lub p62 bez ich usuwania, a także do śmierci związanej z autofagią i utraty funkcji osteogennej. Zmiany poziomu białka LC3 (Microtubule-associated protein 1 light chain 3), p62 (sequestosome 1) oraz Beclin-1 same w sobie nie pozwalają odróżnić tych stanów; do walidacji strumienia i przyczynowości niezbędne jest zastosowanie bafilomycyny A1, chlorochiny, modulacji genetycznej, analizy przebiegu czasowego oraz projektów badawczych opartych na ratowaniu żywotności²⁹^,³⁰^,³¹^,³².

Ścieżki molekularne, za pomocą których WSM może regulować autofagię
Najbardziej bezpośrednim mechanizmem specyficznym dla pereł pozostaje odpowiedź autofagii i różnicowania związana z kinazą kinazy białkowej aktywowanej mitogenem/kinazą regulowaną sygnałem zewnątrzkomórkowym (MEK/ERK), zgłoszona w komórkach MC3T3-E1¹⁶. Szersza literatura dotycząca osteoblastów i biomateriałów sugeruje możliwy crosstalk z kinazą białkową aktywowaną przez AMP (AMPK), fosfoinozytydo-3-kinazą/kinazą białkową B/ssaczą docelową rapamycyną (PI3K/AKT/mTOR), sirtuiną 1 (SIRT1), sygnalizacją kinazy białkowej aktywowanej mitogenem (MAPK) wrażliwą na ROS, białkiem YAP (Yes-associated protein)/beta-kateniną, mTOR/kinazą aktywującą autofagię 1 podobną do unc-51 (ULK1) oraz ścieżkami związanymi z mitofagią²⁹^,³²^,³³^,³⁴^,³⁵^,³⁶^,³⁷^,³⁸^,³⁹^,⁴⁰^,⁴¹. Obecnie receptory i komponenty WSM, które inicjują te sygnały, pozostają niewystarczająco zdefiniowane. W oparciu o dowody proteomiczne, potencjalne czynniki wejściowe obejmują białka wiążące minerały, białka podobne do osteokalcyny lub białka organizujące macierz oraz motywy sygnalizacyjne związane z rodziną czynnika wzrostu transformującego beta, jednak proponowane powiązania te wymagają przeprowadzenia frakcjonowania, blokowania receptorów, perturbacji genetycznych oraz eksperymentów ratunkowych.

Podwójna rola autofagii w różnicowaniu osteogennym
Dowody specyficzne dla pereł wskazują głównie na jej korzystny wpływ. Cheng i wsp. donieśli, że rozpuszczalny w wodzie nano-proszek perłowy zwiększył poziom markerów osteogennych w komórkach MC3T3-E1, a hamowanie autofagii osłabiło odpowiedź różnicowania¹⁶. Wspiera to hipotezę o związku i możliwym wkładzie autofagii w tym modelu. Nie należy jednak traktować tego jako dowodu na to, że autofagia jest uniwersalnym mediatorem przyczynowym dla wszystkich preparatów pochodnych pereł, ponieważ inhibitory farmakologiczne mogą wykazywać efekty pozatarcowe, a wiele badań nie łączyło walidacji strumienia autofagii z podejściem genetycznym lub metodami ratunkowymi.

Kontekst	Dane markerów autofagii	Metoda analizy strumienia autofagii	Wynik	Interpretacja
Rozpuszczalny w wodzie proszek z nanoperel; MC3T3-E1	Zgłoszone zmiany w szlaku LC3/p62	Niepełne opisanie walidacji strumieni w wyekstrahowanym manuskrypcie	Wyższe markery osteogenne; inhibitor osłabił odpowiedź	Specyficzne dla pereł powiązanie z różnicowaniem
Stres oksydacyjny/metaboliczny w osteoblastach	zmiany poziomu LC3, p62, Beclin-1, AMPK lub szlaku PI3K/AKT/mTOR	Zmienne; często wymagana bafilomycyna A1/chlorochina	Ochrona lub apoptoza w zależności od rodzaju stresu	Definiuje autofagię ochronną w przeciwieństwie do autofagii dysfunkcyjnej
Badania porównawcze tytanu/srebra/krzemionki/tantalu/krzemianu dwuwapniowego	Zmiany w poziomie LC3/p62 oraz w szlakach sygnałowych	Zmienna; niektóre testy przepływu lub modulacji	Osteogeneza, proliferacja lub uraz	Generowanie hipotez w badaniach nad perłami
Przyszłe formulacje pochodne z pereł	LC3-II, p62, Beclin-1, markery mitofagii	Wymagane: inhibitor lizosomalny oraz analiza przebiegu czasowego, ewentualnie modyfikacja genetyczna/rescue, jeżeli jest to możliwe	Żywotność, ROS, potencjał mitochondrialny, mineralizacja	Konieczność zaklasyfikowania odpowiedzi jako adaptacyjna, neutralna lub szkodliwa

Tabela 2: Dowody na autofagię w kontekście odpowiedzi osteoblastów i biomateriałów. Tabela oddziela badania oparte wyłącznie na markerach od tych wymagających walidacji przepływu (flux) oraz odróżnia dowody specyficzne dla pereł od hipotez wywiedzionych z komparatorów. Skróty: LC3 = białko 3 lekkiego łańcucha białka 1 związanego z mikrotubulami; p62 = sekwestosomal 1; TEM = transmisyjna mikroskopia elektronowa; NR = nie raportowano.

Oś cytotoksyczności-autofagii-osteogenezy zależna od WSM
Proponowana oś jest modelem podlegającym weryfikacji, a nie utrwalonym szlakiem. Bezpośrednia część specyficzna dla perełek to ekspozycja na WSM lub nanoperełki powiązana z markerami osteogenicznymi w wybranych modelach komórkowych i rusztowaniach. Część pochodząca z komparatora to możliwa gałąź wysokiego stresu obejmująca ROS, uszkodzenia mitochondriów, obciążenie lizosomalne i zablokowaną autofagię. Hipoteza do potwierdzenia zakłada, że autofagia adaptacyjna przechodzi w autofagię dysfunkcyjną i zmniejszoną osteogenezę po przekroczeniu określonego progu.

W oparciu o dostępną logikę zależności dawka-odpowiedź, można wyznaczyć trzy tymczasowe strefy pomocne w prowadzeniu doświadczeń. Strefa promująca osteogenezę charakteryzowałaby się zachowaniem żywotności, utrzymaniem potencjału błony mitochondrialnej, brakiem opóźnionej akumulacji ROS, pełnym przepływem autofagicznym oraz zwiększoną mineralizacją po normalizacji do liczby komórek. Strefa braku oczywistego efektu wykazywałaby tolerancję materiału bez istotnego wzrostu osteogennego. Strefa toksycznego uszkodzenia charakteryzowałaby się spadkiem żywotności, utrzymującym się poziomem ROS, dysfunkcją mitochondriów, akumulacją p62 lub zablokowaniem przepływu, aktywacją stanu zapalnego oraz obniżeniem punktów końcowych osteogenezy. Rozmiar cząsteczek, stopień agregacji, czas ekspozycji i szybkość uwalniania WSM mogą przesuwać granice tych stref (Rysunek 1).

Schemat cytotoksyczności WSM przedstawiający oś autofagia-osteogeneza, ukazujący szlaki stresu komórkowego.
Rycina 1: Oparty na dowodach schemat zależności między cytotoksycznością WSM, autofagią a osteogenezą. Strzałki ciągłe wskazują zależności potwierdzone w badaniach nad konkretnymi perłami, w tym wybrane efekty WSM lub nanoperły na markery osteogenne. Strzałki przerywane wskazują powiązania wynikające z porównań lub hipotetyczne, w tym akumulację ROS, uszkodzenia mitochondriów, obciążenie lizosomalne, zablokowaną autofagię oraz zredukowaną osteogenezę. Skróty: WSM = macierz rozpuszczalna w wodzie; ROS = reaktywne formy tlenu. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wyzwania i ograniczenia
Niniejszy artykuł jest przeglądem narracyjnym, a nie systematycznym. Studia wybrano w celu przedstawienia dowodów na osteogenność specyficzną dla pereł, dowodów dotyczących składu masy perłowej/WSM, modeli rusztowań i naprawy defektów oraz porównawczych badań nad nanocząstkami w kontekście stresu oksydacyjnego, uszkodzeń mitochondriów i autofagii. Nie przeprowadzono formalnej metaanalizy, oceny ryzyka błędu systematycznego ani wyczerpującego protokołu systematycznego wyszukiwania. W związku z tym przegląd ten należy interpretować raczej jako mapę dowodów i program badawczy niż jako ilościowe oszacowanie wielkości efektu.

Siła dowodów różni się w zależności od tezy. Bezpośrednia aktywność osteogenna w wybranych materiałach pochodzących z pereł jest umiarkowanie potwierdzona. Efekty specyficzne dla WSM są prawdopodobne, lecz zależne od przygotowania. Korzyść wspomagana przez rusztowania jest jedynie umiarkowanie potwierdzona i jest utrudniona przez wpływ architektury oraz nośnika. Naprawa in vivo jest obiecująca, lecz pozostaje ograniczona przez czas obserwacji oraz punkty końcowe dotyczące bezpieczeństwa. Cytotoksyczność przy wysokich dawkach specyficzna dla pereł oraz uszkodzenia zapośredniczone przez autofagię pozostają słabo potwierdzone lub hipotetyczne do czasu zebrania danych dotyczących strumienia, ROS, mitochondriów, stanu zapalnego oraz długoterminowych badań in vivo.

Perspektywy na przyszłość
Krótkoterminowymi priorytetami są standaryzacja charakterystyki materiałów, identyfikacja aktywnych składników WSM oraz ustalenie minimalnych wymagań dla testu strumienia autofagii. Zalecany protokół dla tej samej partii powinien obejmować pomiar wielkości cząstek, morfologii, potencjału zeta, fazy krystalicznej, agregacji w medium, profilu uwalniania WSM, uwalniania wapnia, ROS, potencjału błony mitochondrialnej, funkcji lizosomalnej, strumienia autofagii, żywotności, ALP, Runx2, OPN, OCN oraz mineralizacji. Raporty powinny określać miarę dawki, warunki surowicy, czas ekspozycji, normalizację do liczby komórek oraz informację, czy zastosowano inhibitory strumienia, takie jak bafilomycyna A1 lub chlorochina.

Długoterminowe cele obejmują zdefiniowanie spersonalizowanych lub specyficznych dla rodzaju defektu okien dawkowania, ocenę długoterminowego bezpieczeństwa na modelach dużych zwierząt, porównanie szybkości degradacji z szybkością regeneracji kości oraz przeprowadzenie wieloośrodkowej walidacji przedklinicznej. Kryteria go/no-go powinny obejmować akceptowalną przeżywalność wczesną i odroczoną, brak utrwalonych ROS lub uszkodzeń mitochondriów, zachowaną lub zwiększoną mineralizację znormalizowaną do liczby komórek, powtarzalne uwalnianie WSM, brak chronicznego stanu zapalnego lub odpowiedzi tkanki ektopowej, akceptowalne profile zawartości metali ciężkich i endotoksyn oraz produkty degradacji kompatybilne z metabolizmem lokalnym i systemowym (Rysunek 2).

Schemat zależnych od dawki podwójnych efektów; proszek z nanopereł wpływa na autofagię i osteogenezę w zależności od dawki.
Rysunek 2: Model okna dawkowania dla biomateriałów pochodzenia perłowego. Strefa ekspozycji od niskiej do umiarkowanej reprezentuje domniemane okno promujące osteogenezę; strefa środkowa reprezentuje tolerancję bez wyraźnych korzyści; strefa wysokiej lub przedłużonej ekspozycji reprezentuje hipotezę wymagającą walidacji specyficznej dla pereł. Etykiety strzałek wskazują, że wielkość cząstek, agregacja, uwalnianie WSM oraz czas ekspozycji mogą przesuwać granice stref. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wnioski

Wybrane formulacje pochodne z pereł oraz zawierające WSM wykazują potencjał osteogenny w określonych modelach przedklinicznych, jednak dowodów tych nie można jeszcze uogólnić na wszystkie formulacje nano-pereł lub WSM bez standaryzacji badań dawki, uwalniania, strumienia autofagicznego oraz bezpieczeństwa. Najsilniejsze bezpośrednie dowody dotyczą promowania osteogenezy w zdefiniowanych systemach komórkowych i rusztowaniach, podczas gdy dowody na toksyczność specyficzną dla wysokich dawek pereł, dysfunkcyjną autofagię, immunogenność, ryzyko związane z metalami ciężkimi oraz chroniczne bezpieczeństwo biologiczne pozostają słabsze i często są ekstrapolowane z materiałów porównawczych. W związku z tym w tej dziedzinie systemy WSM i nano-pereł należy traktować jako obiecujących, lecz nie w pełni zwalidowanych kandydatów na biomateriały, a przyszłe badania powinny priorytetowo traktować powtarzalną charakterystykę, definicję okna dawkowania oraz równoległą ocenę punktów końcowych dotyczących osteogenezy i bezpieczeństwa.

Oświadczenia

Autorzy nie deklarują żadnych konfliktów interesów.

Podziękowania

Autorzy dziękują Hainan Provincial Science and Technology Talent Innovation Project za wsparcie. Niniejszy przegląd został sfinansowany przez Hainan Provincial Science and Technology Talent Innovation Project (KJRC2023D25).

Bibliografia

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.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Rozpuszczalna w wodzie macierz masy perłowej różnicowanie osteogeniczne regeneracja kości zachowanie osteoblastów depozycja minerałów komórkowa odpowiedź stresowa strumień autofagii badanie zależności dawka-odpowiedź bezpieczeństwo biomateriałów