微孔水凝胶共培养体系的构建及其对关节软骨修复作用的研究

This project is based on the development of native chondrocytes and principle of tissue engineering. Making use of the advantages of synovial mesenchymal stem cells (SMSCs) including easy isolation, better proliferative ability and preferable capability of chondrogenesis etc., as well as mirco-cavitary hgydrogel system with superiority in promoting the proliferation of chondrocytes and maintenance of chodrocytic phenotype, we expect to construct optimal micro-environment for ideal engineered cartilage with combinations of adenoviral vector-mediated SDF-1 transgene and shRNA silencing type I collagen as well as co-culture system in micro-cavitary hydrogel. In addition, a comprehensive study of activation ways and laws of signaling pathways when SMSCs differentiating into chondrocytes will be carried out by proteomics, immunohistochemistry, genetic testing and other means, thus further understanding the molecular mechanism of the interaction between the materials, cells and cytokines as well as guiding the design of biomaterials and preparation of intelligent material for tissue engineering. The execution of this project will provide a feasible and promising way for cartilage regeneration.

本项目从天然软骨细胞的发育及组织工程的原理出发， 利用微孔水凝胶体系具有促使细胞富集增殖、保持软骨特征等优势以及滑膜间质干细胞（SMSCs）提取方便、具有更好的生长能力和更优的软骨分化潜力等优点，结合转基因细胞因子/反义核酸技术和共培养技术，构建最佳的软骨分化微环境获取理想的工程软骨。该微孔水凝胶共培养体系，除了可加快细胞在体外扩增，实现SMSCs有效的定向软骨分化以外，还具有生物响应功能。当修复体移植入体内后能募集体内的祖细胞，调控软骨组织的再生，有望获得更好的修复效果。采用蛋白质组学、免疫组化、基因检测等手段全面研究SMSCs分化为软骨细胞时相关细胞信号通路的激活方式与规律，进一步认识材料、细胞及细胞因子间相互作用的分子机制，从而指导生物材料的设计,最终制备出具有生物活性的、智能的组织工程材料。本项目的实施将为软骨缺损的修复提供新的思路，具有重要的学术价值和临床应用前景。

软骨组织无血管，无神经，无免疫反应的独特特性导致其受损后自愈能力极其有限。因此，软骨修复是一大国际性难题。传统的修复技术尚不能完全满足临床需要，目前，软骨组织工程为软骨缺损修复与重建开辟了新的途径。细胞所处的微环境对其生长及分化有着重要的影响。因此，设计合适的软骨修复材料，研究材料提供的微环境对细胞行为及功能表达的影响具有重要意义。.水凝胶具有良好的生物相容性，能仿似细胞外基质的3D微环境，具备合适的孔隙结构，且能提供短期的机械稳定性以等特点，从而能为细胞生长和分化构建良好的微环境。传统水凝胶会阻碍细胞的快速生长。在前期研究中，我们发现软骨细胞在水凝胶长期培养中会出现“边缘发展”（EF）现象。受到EF现象的启发，在本研究中，我们通过在水凝胶内部构建微孔，人为地引入“凝胶边缘”。这样，即使在水凝胶的内部，也能出现EF现象。.本研究采用双乳液法成功制备出形状规整，尺寸可控的明胶微球，考察了搅拌速率对明胶微球粒径的影响。改变搅拌速率，制备出具有代表性的三种尺寸---小尺寸（80-120μm）、中尺寸（150-200μm）、大尺寸（250-300μm）的明胶微球。以明胶微球为致孔剂成功构建了具有三种不同大小结构的新型微孔水凝胶。研究了三种尺寸的“微孔”结构对软骨细胞生长的影响。结果表明微孔水凝胶比传统致密的海藻酸钠水凝胶具有更好的促细胞增殖作用。细胞会沿着明胶微球造成的“孔洞”结构边缘富集生长并最终填满整个“孔洞”。最终筛选出80-120μm微孔水凝胶体系对细胞增殖效果最显著，并能更好地保持软骨特异基因。把该体系应用到去分化软骨细胞中，发现微孔水凝胶体系能令去分化软骨细胞重新恢复并保持软骨细胞特征的能力。然后进一步研究引入软骨细胞与ATDC5细胞共培养方式到微孔水凝胶后，研究对ATDC5细胞软骨分化的作用影响。研究发现，共培养方式的引入，能更有效使ATDC5定向软骨分化，并且筛选出ATDC5与软骨细胞以3：1比例的效果更佳。本研究亦探讨了以微孔水胶作为研究水凝胶与细胞之间相互作用的平台，发现MAPK信号通路参与了软骨细胞的生长及软骨生物学特征保持的过程。. 本研究构建了及优化微孔水凝胶共培养体系，可以使ATDC5细胞有效定向软骨分化，为将来干细胞的临床应用提供可靠的实验数据，为软骨缺损的修复提供新的思路，具有重要的学术价值和良好的临床应用前景。