Как метаболическая эпидемия, охватывающая сотни миллионов человек по всему миру, патологическое воздействие сахарного диабета выходит далеко за пределы самой дисрегуляции уровня глюкозы в крови. Особое внимание клинической практики сегодня привлекают костные нарушения, обусловленные диабетом. В условиях диабета пациенты нередко сталкиваются с серьёзными проблемами — повышенным риском переломов костей, замедленным заживлением и нарушением регенерации костной ткани. Эти явления в первую очередь обусловлены оксидативным стрессом, вызванным гипергликемией, а также накоплением конечных продуктов гликации (AGE‑ов), которые задерживают костный метаболизм в состоянии низкой ремоделирования и метаболического паралича. Современные антирезорбтивные терапии оказываются недостаточно эффективными при лечении этого сложного метаболического заболевания костей и с трудом способны коренным образом восстановить повреждённые клетки кости, вызванные диабетом.

Углублённые исследования последних лет показали, что функциональное разобщение взаимодействия эндоплазматического ретикулума и митохондрий является ключевым механизмом, лежащим в основе нарушений костного метаболизма при диабете. Гипергликемическая среда вызывает стресс эндоплазматического ретикулума и приводит к избыточному фиссированию митохондрий. Эти два фактора действуют синергично, формируя порочный круг: они не только нарушают гомеостаз кальция, но и провоцируют выброс активных форм кислорода (АФК), что в конечном итоге приводит к функциональному утрате остеобластов. Таким образом, задача точного вмешательства в аберрантную коммуникацию органелл в сложной микросреде диабета, разрыва взаимосвязанного цикла оксидативного стресса и клеточной дисфункции, а также создания малоинвазивной терапевтической платформы с высокой клинической применимостью стала ключевой технической проблемой для достижения остеоинтеграции имплантатов у пациентов с диабетом и восстановления костной ткани.

Для решения указанных выше задач команда, в состав которой вошли Стоматологическая больница Западного Китая Сычуаньского университета, Прикреплённая стоматологическая больница Куньминского медицинского университета, Девятая народная стоматологическая больница Шанхая при Медицинском факультете Шанхайского университета Цзяо Тун и Стоматологический факультет Гонконгского университета, провела систематическое исследование с использованием сканирующего электронного микроскопа серии ZEM компании ZEPTOOLS. Команда разработала инъекционный фотосшивающийся гидрогель из фиброина шёлка, загруженный препаратом Mdivi‑1, что представляет собой инновационную стратегию восстановления остеоинтеграции имплантатов у пациентов с диабетом за счёт регуляции функционального взаимодействия между эндоплазматическим ретикулумом и митохондриями.

Название: Модуляция взаимодействия эндоплазматического ретикулума и митохондрий для восстановления остеоинтеграции имплантатов при диабете с использованием инъектируемой гидрогелевой платформы
Журнал ： Журнал химической инженерии
URL ： https:// doi.org/10.1016/j.cej.2026.177208

Для удовлетворения требований к минимально инвазивной доставке лекарственных средств в клинической хирургии исследовательская группа успешно синтезировала и провела характеристику новой фотосшивающейся гидрогелевой системы на основе шёлкового фибринина, загруженной ингибитором Drp1. В этой системе в качестве матрицы используется природный шёлковый фибринин, модифицированный глицидилметакрилатом для обеспечения способности к фотосшиванию, а также точно загружен 50‑микромолярным Mdivi‑1. С помощью полевоэлектронного микроскопа ZEM Ultra компании ZEPTOOLS было чётко продемонстрировано, что гидрогель обладает однородной, взаимосвязанной трёхмерной пористой сетчатой структурой; при введении препарата средний размер пор существенно уменьшается, что приводит к формированию более плотной сети. Такая точная характеристика микроструктуры служит ключевым подтверждением механизмов контролируемого высвобождения лекарства и миграции клеток. Реологические испытания дополнительно подтвердили, что материал обладает исключительными свойствами сдвигового разжижения и способностью к самовосстановлению, что обеспечивает его плавную экструзию через тонкую иглу и быстрое восстановление формы в месте имплантации, тем самым достигая эффективной интеграции физических свойств и биологических функций.

В ходе экспериментальной фазы in vivo на животных исследователи использовали модель крыс с диабетом 2‑го типа, индуцированным стрептозотоцином, для систематической оценки влияния данного гидрогеля на остеоинтеграцию резьбовых имплантатов из титанового сплава. Результаты эксперимента показали, что в течение наблюдения продолжительностью до восьми недель в нелеченой диабетической группе отмечалась выраженная потеря костной ткани и разрежённая структура трёхмерной решётки. Напротив, после лечения этим композитным гидрогелем как объёмная доля кости, так и число trabeculae вокруг имплантата были значительно восстановлены. Количественная микрокомпьютерная томография и гистологическое исследование, подтверждённые данными межвидовой кросс‑валидации, продемонстрировали, что данная система повышает степень контакта кости с имплантатом при диабетических условиях, превышая клинический порог успешности — 50 процентов, тем самым эффективно устраняя нарушения процессов заживления кости, обусловленные метаболической дисрегуляцией.

Исследование дополнительно раскрыло микроскопический механизм действия препарата с позиции клеточной биологии, уделив особое внимание его регуляторному влиянию на динамику митохондрий в предшественниках остеобластов у мышей. При гипергликемическом стрессе в остеобластах наблюдается избыточная экспрессия белка Drp1, что приводит к патологическому фрагментированному делению митохондрий, сопровождающемуся снижением мембранного потенциала и резким увеличением продукции активных форм кислорода (АФК). Mdivi‑1, непрерывно высвобождающийся из гидрогеля, эффективно подавляет рекрутирование Drp1 на внешнюю мембрану митохондрий, восстанавливает длинную стержневидную разветвлённую структуру митохондриальной сети и повышает активность комплексов дыхательной цепи. Такое вмешательство в систему контроля качества митохондрий не только устраняет избыточное оксидативное повреждение, но и восстанавливает способность остеобластов обеспечивать энергетические потребности в условиях метаболического стресса.

В итоге в данной работе была разработана новая терапевтическая концепция, основанная на функциональном взаимодействии эндоплазматического ретикулума и митохондрий, что позволило раскрыть глубинную логику разрыва патологического порочного круга. В условиях высокого уровня глюкозы избыточно образующиеся активные формы кислорода (АФК), обусловленные дисфункцией митохондрий, через участки физического контакта вызывают выраженный стресс эндоплазматического ретикулума, что, в свою очередь, усиливает апоптоз остеобластов и подавляет экспрессию ключевых остеогенных генов. Исследование подтвердило, что за счёт уменьшения аномального расстояния физического контакта между этими двумя органеллами данный гидрогель успешно снижает уровни фосфорилирования маркерных белков стресса эндоплазматического ретикулума, тем самым восстанавливая нарушенное соотношение RANKL/OPG. Эти данные не только демонстрируют возможность воздействия на метаболизм костной ткани на уровне взаимодействия органелл, но и предоставляют важные теоретические основы для дальнейшей разработки митохондриально‑ориентированных терапевтических препаратов при диабетических осложнениях.

Сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании ZEPTOOLS — это высокоинтегрированный, портативный, экономичный и практичный научно‑исследовательский прибор. Он отличается быстрым откачиванием, высокой скоростью получения изображений и широким выбором детекторов сигналов, что делает его подходящим для морфологических наблюдений и составного анализа, а также позволяет удовлетворять разнообразные требования экспериментов in situ. Прибор предъявляет низкие требования к условиям установки — не требует специальных напольных покрытий — и прост в эксплуатации, что позволяет быстро освоить его даже непрофессионалам. Он может широко применяться в таких областях, как разработка новых материалов, биологические науки, анализ отказов и промышленная контрольная проверка, предоставляя мощное, высокопроизводительное и экономичное решение для микроскопической характеристики объектов широкому кругу исследовательских институтов и корпоративных пользователей.