转运miR-34a的新型涂层基因传递体促骨折愈合的作用及其机制研究

In previous studies, we have verified that internal fixation coated with a drug carrier can promote the healing of fracture through local delivery of active drug. The latest research shows that miR-34a has the function to mediate down-regulation of osteoclastic effect, compared with thesingle drug, it can orchestrate robust biological responses by simultaneously impacting multiple gene networks. Therefore, we use mesoporous organosilicas microspheres as a novel gene transporter of miR-34a and employ it onto hydroxyapatite coating fixation surface to form the composite coating in fracture end and locally deliver miR-34a nanoparticles, which has not been reported previously. In order to verify biological effect of the composite coating and to explore its mechanism, the researches observe release characteristics, biocompatibility, protection for carried genes, and intro or vivo biological effects of this composite coating via pharmaceutical chemistry, imaging, histology and molecular biology, biomechanics research methods; and through whole genome sequencing, explore the mechanism of down-regulation of osteoclast function mediated by miR-34a mesoporous organosilica nanoparticles; finally provide a theoretical basis for the application of the composite coating.

前期实验已验证内固定涂层药物载体可在骨折端缓释药物促进骨折愈合。最新研究表明miR-34a具有抑制破骨细胞分化及活性同时增加成骨细胞分化的功能，携带miR-34a的纳米载体可有效改善肿瘤骨破坏。因此，本课题拟利用新型介孔有机硅纳米微球作为miR-34a的转运体，并加载其于涂布羟基磷灰石的内固定表面，形成在骨折端缓释miR-34a转运体的新型复合涂层；设想利用其骨代谢的正向调控功能产生更佳的促骨折愈合的作用。为了验证该复合涂层的生物学作用并探讨其机制，本课题拟利用模拟体液及骨折模型等，采用药物化学、影像学、分子生物学、生物力学等研究方法，观察该复合涂层的药物释放特性、基因保护性、生物安全性及对破骨细胞的作用，并利用动物骨折模型验证该复合涂层的促骨折愈合的作用，通过全基因测序揭示负载miR-34a的介孔有机硅纳米微球介导的促骨折愈合作用的分子机制。本课题的研究将为该生物涂层的应用提供理论依据。

骨折后恢复骨折端即刻的生物力学稳定性是骨折愈合的前提。具有生物活性涂层的植入物在带来即刻的生物力学稳定性的同时可以释放活性物质，进一步加速骨折愈合。然而，现有的涂层材料载药能力有限，削弱了这些涂层的生物学功能，设计出更有效的涂层材料来加速骨折愈合成为研究的热点。本研究将负载了miR-34a的多孔有机硅纳米颗粒（MONs）加载到羟基磷灰石（HA）涂覆的克氏针上，以设计HA/MONs@miR-34a复合涂层内固定材料以加速骨折愈合。复合涂层有效地将miR-34a传递到破骨细胞中，通过在骨折愈合的早期阶段，调节多个下游基因的表达，对分化和吸收活性的基因剂量依赖性抑制作用，并通过体内大鼠胫骨骨折模型表现出更有效的骨再生能力。特别是，使用RNA-seq和生物信息学分析鉴定了受miR-34a调控的差异表达基因。功能富集分析表明，表达改变的基因主要分布在DNA修复和免疫细胞迁移中，这与破骨细胞的分化和活性有关。这项工作不仅证明了HA/MONs@miR-34a在加速骨折愈合方面具有广阔的临床应用前景，而且还揭示了单一RNA序列调节破骨细胞生理功能的分子机制。