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Nanozyme Coating-Mediated Mitochondrial Metabolic Reprogramming of Macrophages for Immunomodulatory Osseointegration in Rheumatoid Arthritis Case

类风湿性关节炎 重编程 骨整合 涂层 细胞生物学 线粒体 关节炎 免疫学 医学 化学 材料科学 纳米技术 生物 生物化学 细胞 植入 外科
作者
Shimeng Chen,Xiaoqi Liu,Wenhui Zhang,Bo Li,Fuwei Liu,Yingang Zhang,Yong Han
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c07535
摘要

Conventional titanium (Ti)-based implants often fail to achieve osseointegration in bone defects accompanied by rheumatoid arthritis (RA), primarily due to the RA pathological microenvironment, characterized by elevated reactive oxygen species (ROS) levels and hypoxia. This microenvironment induces mitochondria dysfunction and intracellular Ca2+ overload, facilitating macrophage polarization toward the M1 phenotype and thus impairing osteoimmunomodulatory osseointegration. To address this challenge, a nanozyme-inspired coating, featuring the deposition of MnFe2O4 nanoparticles onto a polydopamine (PDA)-decorated surface of microporous TiO2, is constructed on Ti (known as MFO coating). The osteoimmunomodulatory osseointegration of the coating, both in vitro and in vivo, accompanied by RA was assessed, and the underlying mechanisms were also investigated. Due to the efficient conversion of H2O2 into O2 and robust ROS-scavenging capabilities, the coating mitigates mitochondria ROS accumulation and intracellular Ca2+ overload induced by the pathological microenvironment, while simultaneously elevating intracellular O2 levels, thereby preventing macrophage apoptosis. Meanwhile, by improving the microenvironment, the coating activates moderate mitophagy through the Ca2+-AMPK-mTOR signaling pathway, facilitating the removal of dysfunctional mitochondria and the preservation of mitochondrial dynamics and integrity. As a result, the restored mitochondria reprogram their metabolic pathway from relying on anaerobic to relying on aerobic oxidative phosphorylation, facilitating macrophage polarization toward the M2 phenotype, which not only inhibits osteoclastogenesis but also accelerates osseointegration in rats with RA. The coating presents a transformative approach to Ti-based implant design for bone defects associated with inflammatory diseases, potentially reducing the risk of revision surgery and offering a long-lasting lifespan for patients.
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