GDF15过表达促进骨髓间充质干细胞成血管和成骨作用的分子机制与骨再生研究

Repair and reconstruction of larger bone defects remains a great challenge in clinic, and the fabrication of genetically vascularized- engineered bone has become a new alternative therapy in bone repair. GDF15 (growth differentiation factor 15, GDF15) is an angiogenic gene belonging to the transforming growth factor beta superfamily that has a role in the development of tissues and organs. To date, there have been no reports with applying GDF15 for tissue regeneration. Our pervious study has demonstrated that GDF15 promoted angiogenesis and osteogenesis of BMSCs. However, it is still unclear with the underlying angiogenic and osteogenic mechanism, and further studies are still required. To elucidate the molecular mechanism of GDF15, we overexpress or silence GDF15 in BMSCs, and observe cell growth and apoptosis as well as angiogenesis and osteogenesis with BMSCs. Also, we explore the effects of angiogenesis and osteogenesis after MAPK and Cbfa1/Runx pathway inactivated or activated, as well as observe bone growth and development in GDF15 transgenic mice. Finally, we repair canine segmental mandibular defects using GDF15 modified-BMSCs combined with beta-TCP, and monitor the angiogenesis and osteogenesis in large animal model. Briefly, the aim of our study is to explore an effective method for the repair of large bone defect with vascularized tissue-engineered complexes.

大块骨组织的缺损修复与重建是临床医学亟待解决的难题，基因修饰的血管化组织工程骨为我们带来新的思路。GDF15是一个与组织、器官发育相关的基因，具有诱导血管形成的作用，尚未见到用于组织再生的报道。前期我们研究发现GDF15具有促进骨髓间充质干细胞成血管和成骨的作用。但其作用机制还有待进一步研究。为了揭示GDF15作用的分子机制，本项目采用基因过表达和siRNA干扰等手段，观察GDF15对BMSCs成血管和成骨作用的影响；通过阻断和激活MAPK和Cbfa1/Runx2信号通路，探讨GDF15诱导BMSCs成血管、成骨机制及作用机理；构建GDF15转基因小鼠，观察GDF15过表达对骨生长发育的影响；最后，将GDF15修饰的BMSCs复合β-TCP修复犬下颌骨节段缺损，观察其体内应用效果。本研究通过对GDF15促进BMSCs成血管及成骨作用机制的探讨，旨在为大块骨缺损的修复探索更为有效的方法。

（一） 背景： .大块骨组织的缺损修复与重建是临床医学亟待解决的难题，血管化的组织工程骨为我们带来新的思路。GDF15 是一个与组织、器官发育相关的基因，体外具有促进血管形成的能力，尚未见到用于组织再生的报道。为了揭示GDF15 成血管、成骨作用的分子机制，本研究采用流式细胞、蛋白印记、免疫共沉淀、芯片、小动物Doppler、microCT、realtimePCR等手段，对GDF15的成血管、成骨作用通过细胞学、小动物和大动物进行观察和分析，初步发现GDF15具有促进体内成血管的作用，其成骨作用与提高组织血管化相关。同时本研究发现GDF15和双膦酸盐颌骨坏死的发生存在一定的相关性。.（二）主要研究内容：.（1）GDF15提高细胞周期转变，促进了细胞增殖机制研究。.（2）GDF15成血管作用的分子机制及的体内研究。.（3）建立大动物犬节段缺损模型，探索冻存骨来源成骨细胞组织工程化骨修复下颌骨缺损实验。.（4）研究双膦酸盐相关性颌骨坏死模型，探索颌骨坏死发生机制研究。.（5）探索双膦酸盐颌骨坏死发病机理，初步发现了双膦酸盐相关颌骨坏死与GDF15、COL11A1、GDF5等因子相关。.（三）重要成果.（1）GDF15具有体内促进血管形成的作用，与GDF15提高G1期细胞向S期和G2/M期转变，促进细胞增殖相关，涉及AKT、P38、 JNK、ERK1/2等信号通路。.（2）GDF15、COL11A1、GDF5等因子与双膦酸盐颌骨坏死相关，并初步研究其作用机理。.（四）关键数据及其科学意义.（1）本研究首次发现GDF15具有促进体内血管形成的作用。通过提高细胞周期蛋白cyclinD1和cyclin E表达，促进与CDK2/4结合及增强CDKs的活性，诱导转录因子E2F1的转录，完成G1期细胞向S期和G2/M期转变，促进了细胞的增殖。丰富了GDF15的功能研究，为进一步研究GDF15提供新信息，也为大块颌骨缺损的组织工程骨修复提供新的手段。.（2）本研究首次显示双膦酸盐相关性颌骨坏死发生与GDF15、COL11A1、GDF5等因子相关，揭示双膦酸盐用药后牙齿病变发生机理，为双膦酸盐相关性颌骨坏死的治疗、预防、风险评估提供新的手段，为双膦酸盐牙周病治疗提供新的思路。