针对上述问题，四川大学吴尧团队开发了一种"以线粒体质量为中心"的纳米工程策略，通过构建魔芋葡甘聚糖-聚乙二醇功能化Fe3O4纳米颗粒(KGM-PEG-SPIONs)，协同促进铁硫(Fe-S)簇再生、恢复线粒体自噬并减轻炎症反应。该策略通过重新激活衰老巨噬细胞中耗竭的Fe-S簇生物合成和选择性线粒体自噬，同时抑制细胞外ROS和炎症因子产生，将内源性巨噬细胞重编程为高能量、抗炎状态的优质线粒体供体，并改善衰老骨髓间充质干细胞对外源线粒体的接受能力。这一双靶点方法同时解决了老年骨修复中供体线粒体质量差和受体整合能力有限的关键瓶颈，实现了从数量驱动向质量驱动的线粒体治疗范式转变，为免疫介导的组织再生建立了材料-细胞协同新策略。该文章于2026年1月12日以《Iron oxide nanoparticles-driven mitochondrial renewal rejuvenates the aged bone marrow niche》为题发表于《Biomaterials》（DOI：10.1016/j.biomaterials.2026.123989)。

研究示意图

（1）衰老骨髓微环境中的自噬与代谢功能障碍

骨质疏松患者与健康对照的骨髓样本转录组存在差异（图1A，图1G）。主成分分析表明衰老对整体基因表达具有显著影响（图1B）。在衰老的骨髓源性巨噬细胞中，糖酵解与促炎信号通路上调，而自噬与线粒体氧化磷酸化程序下调（图1C），具体表现为糖酵解因子与炎症细胞因子表达升高，核心自噬调控因子及线粒体功能相关因子表达下降，呈现“高炎症、低能量、低清除”表型（图1D，图1F）。基于过氧化氢诱导的大鼠细胞衰老模型测序结果与此一致（图1E，图1I）。相应地，衰老的骨髓间充质干细胞也表现出自噬相关基因表达的降低以及类似的炎症通路激活与能量稳态抑制等代谢重塑（图1H，图1J）。两者均存在自噬与线粒体相关基因集的共同抑制，表明免疫与基质区室存在协同的功能障碍。

图1.衰老骨骼中能量代谢和自噬通量发生重编程。（a和e）人或大鼠BMDMs采集示意图；（b）年轻与衰老BMDMs基因的PCA分析；（c）GO富集分析；（d）人BMDMs中糖酵解、氧化磷酸化、炎症和自噬相关差异表达基因的环形热图；（f）大鼠BMDMs中自噬、代谢和免疫相关差异表达基因，衰老组为H2O2诱导的BMDMs，年轻组为未处理的对照BMDMs；（g和i）人或大鼠BMSCs采集示意图；（h）年轻与衰老人BMSCs中自噬相关基因的表达；（j）大鼠BMSCs中糖酵解、氧化磷酸化、自噬、成骨和免疫相关差异表达基因。

（2）铁基纳米平台通过自噬-线粒体轴缓解巨噬细胞衰老

KGM-PEG-SPIONs为单分散球形纳米颗粒，核心直径约50 nm，水合直径约220 nm，FTIR与TGA证实KGM成功表面偶联。该纳米颗粒在溶酶体酸性条件（pH 4.5）下可持续释放铁离子，且衰老骨髓源性巨噬细胞对其内吞效率约为衰老骨髓间充质干细胞的3倍。在H₂O₂诱导的衰老巨噬细胞模型中，KGM-PEG-SPIONs处理显著激活自噬通路（Atg5与Beclin1表达增加），该效应可被3-MA阻断，而KGM单独处理无此效果；功能上，纳米颗粒将衰老相关β-半乳糖苷酶阳性率降低至10%，抑制p16与p21表达，恢复细胞活力，且3-MA可逆转这些抗衰老效应。此外，纳米颗粒上调线粒体生物合成关键调节因子PGC-1α、NRF1与TFAM的表达，降低细胞内及线粒体活性氧水平，恢复线粒体膜电位与ATP产量（部分依赖于自噬）。超微结构分析显示，线粒体从碎片化、肿胀状态转变为具有致密基质和完整嵴的elongated形态，且线粒体数量约增加一倍。

图2.KGM-PEG-SPIONs激活S-BMDMs的自噬-线粒体轴，增强线粒体质量并逆转衰老表型。（a）SPIONs、PEG-SPIONs和KGM-PEG-SPIONs的TEM图像；（b）SPIONs、KGM-PEG-SPIONs和KGM-PEG-SPIONs-BCP的FTIR光谱；（c）SPIONs、PEG-SPIONs和KGM-PEG-SPIONs的TGA曲线；（d）BMDMs和BMSCs中的铁离子浓度；（e）自噬标志物Beclin1的免疫荧光染色；（f）RT-qPCR检测自噬相关基因Atg5和Beclin1；（g和h）衰老组和KGM-PEG-SPIONs组S-BMDMs的β-Gal染色及定量统计；（i）RT-qPCR检测衰老标志物p16和p21的表达；（j）CCK-8法检测不同样品处理下衰老细胞活性；（k）RT-qPCR检测线粒体生物发生标志物PGC-1α、NRF1和TFAM；（l和m）有无KGM-PEG-SPIONs处理的S-BMDMs的JC-1和ATP染色图像；（n）TEM观察有无KGM-PEG-SPIONs孵育后S-BMDMs的自噬体（黄色虚线）和线粒体（黄色箭头）；（o）CLSM观察有无KGM-PEG-SPIONs孵育后S-BMDMs的线粒体。

（3）线粒体从功能恢复的巨噬细胞向衰老间充质干细胞的转移促进成骨恢复

在非接触式共培养体系中，KGM-PEG-SPIONs处理的衰老巨噬细胞可向衰老间充质干细胞转移线粒体，直接共培养时线粒体运输主要定位于细胞连接处，且处理组的线粒体转移效率显著高于未处理的衰老组和年轻对照组。体内实验显示，静脉回输经纳米颗粒处理且线粒体被标记的衰老巨噬细胞后，衰老大鼠CD90+/CD44+间充质干细胞中红色荧光信号显著增强，线粒体转移效率约为未处理组的三倍。功能评估表明，纳米颗粒处理不仅逆转了巨噬细胞衰老，还增强了与其共培养的间充质干细胞的成骨分化，成骨标记物Runx2和骨钙素（OCN）表达上调，共培养组OCN表达水平约为间充质干细胞单独处理组的两倍。将从不同处理组巨噬细胞分离的线粒体导入衰老间充质干细胞，来自纳米颗粒处理巨噬细胞的线粒体较未处理组更显著地增强碱性磷酸酶活性、增加矿化沉积并抑制成脂分化。在LPS诱导的炎症模型中，纳米颗粒单独处理无法挽救间充质干细胞功能，而转移来自纳米颗粒处理巨噬细胞的线粒体则能恢复其成骨能力并抑制成脂分化。

图3.KGM-PEG-SPIONs诱导S-BMDMs的线粒体跨细胞转移，恢复S-BMSCs的功能和谱系命运。（a）共培养系统和Transwell培养系统确定线粒体转移形式；（b）Transwell培养系统中孵育24 h的S-BMDMs和S-BMSCs代表性共聚焦显微镜照片，S-BMSCs用Mitotracker Green（绿色）标记，S-BMDMs用Mitotracker Deep Red（红色）标记，细胞核用Hoechst 33342（蓝色）标记；（c）有无KGM-PEG-SPIONs时S-BMDMs与S-BMSCs共培养24 h的典型共聚焦显微镜图像；（d）体内线粒体转移评估示意图；（e）流式细胞术定量分析体内KGM-PEG-SPIONs处理与否的S-BMDMs向S-BMSCs的线粒体转移；（f）KGM-PEG-SPIONs和经KGM-PEG-SPIONs处理的S-BMDMs作用下S-BMSCs的β-Gal染色结果；（g）RT-qPCR检测上述条件下S-BMSCs成骨基因标志物OCN和Runx2的表达；（h–j）不同条件下S-BMSCs的ARS、ALP和油红O染色。

（4）自噬与铁硫簇生物合成的协同作用促进巨噬细胞线粒体与免疫代谢功能恢复

转录组分析显示，KGM-PEG-SPIONs处理上调衰老巨噬细胞中自噬、氧化磷酸化及线粒体生物合成相关基因，下调糖酵解与炎症信号相关基因；差异表达基因主要富集于线粒体膜电位调控、线粒体运输及NADH代谢过程，细胞器相关基因集分析表明该处理引起细胞核、溶酶体及线粒体功能相关基因簇的显著转录变化，蛋白质相互作用网络分析识别出自噬相关因子（如Irs1）和线粒体相关介质（如Dcn、TFRC）组成的协同调控模块。机制上，KGM-PEG-SPIONs处理下调MFN2表达，上调DRP1与FUNDC1表达以促进受损线粒体的选择性清除，同时PGC-1α、NRF1和TFAM的同步上调表明线粒体生物合成得到促进；而自噬诱导剂CeO2纳米颗粒虽能提升LC3表达，但未能复现KGM-PEG-SPIONs在恢复ATP产量、细胞活力及线粒体转移方面的改善效果。该纳米颗粒处理显著上调铁硫簇组装关键蛋白（ISCU、ISCA1、ISCA2、NFU1）及线粒体铁转运蛋白ABCB7的编码基因，相关性分析显示铁硫簇相关基因、线粒体功能指标与M2型巨噬细胞标记物（Arg-1、Mrc1）呈正相关；共定位分析表明纳米颗粒主要定位于溶酶体，与线粒体重叠极少，且溶酶体功能抑制剂氯喹能显著减弱纳米颗粒对铁硫簇相关基因的上调作用。此外，纳米颗粒处理上调抗炎相关因子，下调促炎相关因子，显著提高M2型相关标记物（IL-10、IL-1RA、CD206）的表达并抑制促炎因子TNF-α；KGM单独处理虽具抗炎活性，但KGM-PEG-SPIONs引发了更显著的抗炎反应。

图4.KGM-PEG-SPIONs通过PINK1/Parkin介导的线粒体自噬和Fe-S簇生物合成恢复线粒体功能并促进M2极化。（a）S-BMDMs与KGM-PEG-SPIONs孵育后的线粒体自噬相关蛋白表达；（b）S-BMDMs的线粒体ROS水平；（c）线粒体膜电位及线粒体生物发生相关基因表达；（d）CeO2纳米颗粒与KGM-PEG-SPIONs的效果比较；（e）Fe-S簇组装蛋白及线粒体铁转运蛋白ABCB7的表达；（f）Fe-S相关基因与线粒体功能指标及M2标志物的相关性分析；（g）KGM-PEG-SPIONs的亚细胞定位及溶酶体抑制实验；（h）RNA-seq分析抗炎和促炎因子表达；（i）M2标志物（IL-10、IL-1RA和CD206）及促炎因子TNF-α的RT-qPCR和免疫荧光检测。

（5）M2样线粒体通过增强间隙连接与钙流在衰老间充质干细胞中启动再生信号级联

DCFH-DA染色显示，源自KGM-PEG-SPIONs处理的M2型巨噬细胞的线粒体（M2样线粒体）显著降低衰老间充质干细胞内活性氧积累，效果优于M0及M1型巨噬细胞来源的线粒体；JC-1染色表明M2样线粒体恢复衰老间充质干细胞的线粒体膜电位，红绿荧光比值显著增加。ATP荧光染色与定量评估显示M2样线粒体转移显著提升衰老间充质干细胞的细胞内ATP水平；SYTOX Green染色显示M2样线粒体处理大幅降低膜完整性受损的细胞比例，CCK-8实验进一步证实该处理显著恢复细胞活力。Fluo-4 AM染色显示M2样线粒体处理显著增强衰老间充质干细胞的细胞内钙信号强度，而M0与M1来源的线粒体作用微弱；Western blot与免疫荧光分析表明M2样线粒体处理显著上调衰老间充质干细胞中间隙连接蛋白43（Cx43）的表达。

图5.M2型巨噬细胞来源的线粒体通过间隙连接转移并恢复BMSCs功能。（a和b）不同条件下S-BMSCs的DCFH染色及定量分析；（c）不同条件下S-BMSCs的JC-1荧光染色；（d）JC-1聚合物/单体荧光比定量分析；（e）不同样品处理后ATP定量检测；（f）不同样品处理后ATP荧光染色；（g）不同样品处理后SYTOX荧光染色；（h）SYTOX荧光定量分析；（i）CCK-8法检测不同样品处理下S-BMSCs活性；（j）Fluo-4 AM荧光染色分析细胞内Ca2+浓度；（k）Fluo-4 AM荧光定量分析；（l和m）Western blot及定量分析检测Cx43蛋白表达；（n）RT-qPCR检测Cx43基因表达。

（6）KGM-PEG-SPIONs-BCP复合支架在衰老骨质疏松模型中介导高质量的骨再生

在衰老骨质疏松模型中，KGM-PEG-SPIONs-BCP复合支架显著上调M2型标记物Arg-1并下调促炎标记物iNOS，同时降低衰老标志物p21（第14天降低75%，第28天降低86%）与p16（第14天降低86%）的表达水平，效果优于空白对照、BCP支架及牛磺酸改性BCP支架；该支架组新骨形成区域PGC-1α+/Miro1+双阳性细胞丰度显著升高，分别是BCP支架组的3.9倍和牛磺酸-BCP支架组的2.9倍。术后4周H&E染色显示KGM-PEG-SPIONs-BCP支架促进大量且有序的新骨形成，缺损区域被致密矿化组织填充；Micro-CT三维重建与定量分析证实该支架显著提升新生骨矿物质密度、骨小梁连接密度、骨表面积体积比及骨小梁数量，并降低骨小梁分离度。再生组织FTIR光谱在1050 cm⁻¹处出现与天然骨相似的磷酸盐特征峰；XPS分析表明该支架组Ca2p与P2p结合能向天然骨偏移，且N1s/C1s峰比值更接近天然骨基质；XRD图谱显示其具有清晰的磷灰石衍射峰，且衍射强度与天然骨最为接近。

图6.KGM-PEG-SPIONs-BCP支架有效改善免疫微环境并实现高质量骨形成。（a和b）免疫标志物Arg-1和iNOS的免疫荧光染色及定量分析；（c和d）2周和4周时衰老标志物P21的免疫荧光染色及定量分析；（e）股骨样本Miro1和PGC-1α双染免疫荧光图像，下排为上排白框放大图；（f）Miro1和PGC-1α双染阳性细胞定量分析；（g）4周时BCP、taurine-BCP和KGM-PEG-SPIONs-BCP支架新生骨的3D重建micro-CT图像；（h）Micro-CT数据BMD、Conn.D、Tb.Sp、BS/TV和Tb.N的定量分析；（i）taurine-BCP、KGM-PEG-SPIONs-BCP支架修复组织及天然骨的FTIR分析；（j）上述样品的XPS分析；（k）上述样品的XRD分析。

图7.KGM-PEG-SPIONs通过类似M2的线粒体转移增强老年骨骼再生，以重建免疫-代谢-干细胞轴。