骨髓微环境exosome调控骨重建影响骨微损伤修复机制研究

Bone microdamage repair plays important role on the development of osteoporotic fracture. Under the guidance of the hypothesis of origin from and stage development of microdamage in osteoporotic fracture proposed by the applicant and the effective previous research funded by NSCF, we make advance of our microdamage repair research into sequentially regulatory effect of bone marrow microenvironment derived exosome on the bone remodeling related cells during the different stage of microdamage repair. Firstly, animal experiment will be performed to detect how the exosome change during the different stage of microdamage repair. Then the vary function of the exosome on the activation of main bone remodeling related cells will be studied furtherly in cell experiments in vitro. Finally the exosome during peak phase of microdamage repair will be isolate and proved its effect on microdamage repair by animal test in vivo at micro-, nano- levels. The comprehensive research and analysis including molecular/exosome/cell/animal levels will help to make the effects clear of bone marrow microenvironment derived exosome on microdamage repair procedure mediating by bone remodeling and reveal the mechanism of early microdamage repair.

骨微损伤修复在骨质疏松性骨折发生发展过程中作用重要。申请者在自己提出骨质疏松性骨折微损伤起源阶段性发展理论假说指导下，在高质量执行所获离体及活体微损伤研究国家自然科学基金课题良好基础上，针对骨髓exosome通过序贯激活骨重建主要相关细胞功能变化，调节骨重建影响微损伤修复的机制进行深入研究。首先从动物实验探讨微损伤修复过程中不同阶段exosome变化规律，进而在细胞实验研究微损伤修复不同阶段骨髓exosome作用于骨重建主要相关细胞功能变化的作用，最后提取微损伤修复高峰阶段骨髓exosome对大鼠活体疲劳微损伤修复作用进行验证并探讨其微纳观机制。系统探索骨髓微环境exosome引起骨重建主要相关细胞连动变化，推动骨重建进程，完成骨微损伤修复的机理。从分子-exosome-细胞-动物不同层次水平综合探讨骨髓exosome调控骨重建影响骨微损伤早期修复分子机制及其规律。

骨微损伤修复在骨质疏松性骨折发生发展过程中具有重要作用，BMSCs的功能对骨损伤修复的结局至关重要。动物实验探讨骨质疏松大鼠疲劳负载后不同阶段的骨微损伤情况进行检测，发现骨质疏松大鼠在疲劳负载后2周微损伤修复显著,并通过细胞实验研究了微损伤修复不同时期的骨髓微环境中外泌体调控骨重建过程中BMSCs成骨分化的作用，证明了微损伤修复高峰阶段的骨髓外泌体能促进BMSCs成骨分化，其分子机制可能为骨髓外泌体内的下调miR-139-5p激活Wnt/β-catenin信号通路。系统探索骨髓微环境外泌体与骨重建主要相关细胞连动变化，补充完善了骨微损伤修复的机理。对研究对象拓展后，发现2型糖尿病大鼠骨微损伤累积明显增加及骨微结构退化，骨髓微环境外泌体中差异表达的miRNAs可能通过Wnt信号途径及胰岛素信号途径参与了骨质疏松合并糖尿病大鼠的骨微损伤修复。进一步对临床中糖尿病患者的骨密度谱进行检测，骨密度在1型糖尿病、成人隐匿性自身免疫性糖尿病和2型糖尿病三组患者中呈逐渐升高变化谱，自身免疫糖尿病患者更易合并骨质疏松症，且骨密度降低与C肽降低相关。通过对比临床中接受骨融合术的骨质疏松患者和非骨质疏松患者的自体移植骨的骨微结构特征，发现绝经后骨质疏松患者自体移植骨微结构出现明显退化，骨髓微环境中存在与骨代谢相关的差异蛋白，为后续骨髓微环境中外泌体修复骨微损伤、改善骨微结构提供新机制。实验过程中发现胎牛血清外泌体能跨物种调控人BMSCs的分化，可能为未来细胞组织工程研究提供新的技术条件，同时也为外泌体跨物种调节作用提供了新的证据。综上，本课题深入探讨骨髓微环境及其外泌体调控骨重建影响骨微损伤修复机制研究，为未来更为深入探讨骨微损伤发生及修复因素，寻找改善修复因素、预防骨质疏松骨折的新靶标提供思路。