利用新型脂肪组织来源成骨诱导移植物在体预构血管化骨组织

Reconstructions of critical-sized bone defects is a clinical challenge. Adipose derived stem cells (ASCs)-based bone tissue engineering is a promising strategy for bone defect reconstruction. However, it is well-known that the osteogenic differentiation potential of ASCs decreases with cell passaging. Furthermore, revascularization of in vitro tissue-engineered bone grafts remains a challenge. Our pilot experimental have found that nanofat can directly differentiate into hypertrophic cartilage tissue after a period of in vitro proliferation and endochondral ossification induction. However, its mechanism remains unclear. We hypothesized that extracellular matrix (ECM) and α5 integrin signaling maintain the differentiation potential of ASCs. Therefore, osteogenic and vascularized bone grafts can be generated directly by human fat tissue and tissue prefabrication technique. To prove it, we going to harvest emulsified fat tissue, which rich in ASCs and SEM, by mechanical treatment and centrifugation. The emulsified fat tissue will be mixed with porous hydroxyapatite granules and submitted for in vitro proliferation and endochondral ossification to generate hypertrophic cartilage tissue. The effect of ECM and α5-integrin on proliferation and differentiation of ASCs will be analyzed. Then, an in vivo bioreactor model will be constructed by superficial inferior epigastric vessel bundle in nude rat and used to in vivo cultivate the fat tissue-derived hypertrophic cartilage tissue. Finally, the vascularized, functional bone grafts will be prefabricated after 12 weeks of in vivo cultivation. After this study, we hope the results can provide a new insight and solution of clinical reconstruction of critical-sized bone defects.

大体积骨缺损修复是一个临床难题，应用脂肪来源干细胞（ASC）构建骨组织用于骨缺损修复已成为研究热点。但ASC的成骨分化能力会随传代次数增加而降低，且体外构建的骨移植物难以再血管化而限制了其临床转化。项目组预实验发现微粒脂肪组织可经体外增殖、软骨内成骨诱导培养直接分化成肥大软骨组织，但其机制尚不明确。我们认为细胞外基质（ECM）与整合素α5信号通路参与了维持ASC的分化潜能;且利用更加富含ASC和ECM的乳糜化脂肪组织，经过体外软骨内成骨诱导和体内组织预构技术，可能在体预构出血管化骨移植物。为此，我们拟采用机械法获取乳糜化脂肪组织，经过体外软骨内成骨诱导培育成肥大软骨组织，分析ECM与整合素α5在ASC增殖与软骨分化中所起的作用；然后利用裸大鼠腹壁浅血管束作为体内生物反应器，植入利用脂肪组织构建的肥大软骨组织，以期在体预构出大体积、血管化、功能化的骨移植物，为大体积骨缺损的修复提供新的思路。

传统基于细胞的骨组织工程技术的临床转化主要面临两大挑战：（1）难于获取到取材方便、损伤小、骨再生能力强的干细胞。（2）体外构建的大体积骨移植物难以血管化。项目组预实验发现微粒脂肪组织经体外软骨内成骨诱导培养可直接分化成肥大软骨组织，且可在体内进一步发育成血管化骨组织，有可能解决上述两大难题。基于前期研究的发现，在本项目的资助下，项目组进一步开展了系列研究，主要取得了一下研究成果。.1..提出利用肥大软骨移植物修复骨缺损的新理念.基于发育工程学理念和模拟软骨内成骨的过程，提出在骨缺损区域植入肥大软骨移植物，肥大软骨可在缺损区进一步发育完成骨化和血管化，以解决骨移植物难以血管化的难题，成果发表在J Tissue Eng（2021，JCR Q1），获批发明专利2项。.2..构建了新型脂肪组织来源肥大软骨移植物.将微粒脂肪组织与多孔HA/β-TCP颗粒混合，经过体外软骨内成骨诱导培养构建成更具备成骨诱导能力的移植物，改善了脂肪组织来源肥大软骨的成骨能力和临床可操作性，成果发表在Acta Biomater（2020，JCR Q1）。.3..成功应用脂肪组织来源肥大软骨修复大鼠颅骨临界骨缺损.将微粒脂肪组织在体外诱导分化为高表达BMP-2、VEGF等成骨和成血管蛋白的肥大软骨移植物，用于修复大鼠颅骨临界骨缺损，并以临床常用的脱细胞骨基质（DBM）作为对照。结果发现肥大软骨植入物在缺损区发育成高度血管化的新生骨，有效修复了临界骨缺损。且与DBM相比，肥大软骨在血管化、骨量和骨密度上更优。显示了脂肪组织来源肥大软骨的强大骨再生能力。成果发表在Bioeng Transl Med（2022，JCR Q1）。.通过系列研究，构建了利用脂肪组织诱导再生具备高成骨和成血管能力的肥大软骨组织的体系，并成功应用于临界骨缺损的修复，开创出骨缺损修复的新理念和新方法，有望突破临床上大体积骨缺损修复的难题。