硫化氢气体信号体系通过缺氧诱导因子促进牵张成骨的实验研究

Distraction osteogenesis (DO) is a well established endogenous tissue engineering with broad potential clinical application in craniomaxillofacial orthognathic surgery, while the biological mechanisms are not yet fully elucidated. Hydrogen sulfide (H2S) is extensively distributed in organisms. They can regulate the function of some cells, including endothelial cells, osteoblasts, and participate in a variety of pathophysiological process. In previous experimental studies, we found that key enzymes of H2S: cystathionine-γ-lyase expressed in the new regenerated bone of distraction gap, and decreased in the poor distraction osteogenesis model. Meanwhile, H2S has been shown to regulate the expression of hypoxia inducible factor (HIF). The activation of HIF pathways can promote distraction osteogenesis. Therefore, we propose that the H2S plays an important role in distraction osteogenesis and regulates HIF to influence distraction osteogenesis. To prove this hypothesis, the in vitro experiments and animal studies will be used by gene transfection and tools drug approaches from nucleic acid and protein levels to explore the role of hydrogen sulfide in the process of distraction osteogenesis and the effect of hypoxia-inducible factor during the process to further improve the biological mechanisms of H2S gasotransmitter system in DO, and make a useful attempt for searching the new therapeutic target of DO.

牵张成骨是颅颌面整形领域具有广泛应用前景的内源性组织工程，其生物学机制尚不完善。硫化氢（H2S）是生物体中普遍存在的小分子气体，能够对内皮细胞、成骨细胞等多种细胞发挥作用，参与多种病理生理过程。通过前期实验研究我们发现硫化氢气体关键酶：胱硫醚-γ-裂解酶在牵张间隙新生骨中有表达，并且在成骨不良牵张模型中表达下降。同时，H2S被证明能够调控缺氧诱导因子（HIF）的表达，而HIF分子通路的激活可以促进牵张成骨。因此我们提出H2S在牵张成骨中起着重要作用，并通过调控 HIF来影响牵张成骨的效果。为证明这个假说，通过体外细胞实验和动物实验研究，利用基因转染和工具药等方式，从核酸和蛋白水平，探索H2S气体信号体系在牵张成骨中的作用和HIF对H2S促牵张成骨的机制，完善H2S气体信号体系在牵张成骨中的分子机制，尝试为牵张成骨的治疗提供一定的理论依据。

本实验的目的主要是为了明确硫化氢小分子信号气体在牵张成骨中的作用，并探讨其促进牵张成骨的可能机制。实验课题基本按照申请书计划步骤进行。在细胞实验部分，我们选用大鼠骨髓间充质干细胞作为研究对象，使用四点弯曲加力装置作为研究平台，通过不同牵张形变量观察内源性硫化氢信号系统的表达，证实了内源性硫化氢信号系统在牵张成骨中具有重要意义，过大的牵张可能损害内源性硫化氢信号的表达，从而抑制成骨，而外源性硫化氢信号供体能够促进成骨，并且通过工具药及基因转染实验证明硫化氢促进细胞牵张成骨的机制是通过上调缺氧诱导因子来完成。为了进一步证实上述结果，我们在活体组织牵张牵张中继续研究，通过不同的牵张速率建立牵张模型，研究发现内源性硫化氢信号系统在牵张成骨中起着重要作用，过快的牵张速率会减少内源性硫化氢信号的表达，影响牵张间隙新骨及血管的生成，而在活体组织通过全身使用硫化氢水溶性供体GYY4137提升血药浓度后能够促进下颌骨牵张间隙新骨的矿化及力学强度，通过抑制牵张间隙缺氧诱导因子的含量可能减弱硫化氢促进成骨的效果。根据上述体内及体外实验结果我们基本完成课题内容，得出结果：硫化氢信号系统通过缺氧诱导因子促进牵张成骨，为临床上使用硫化氢小分子信号促进成骨提供了一定的理论依据。