鸢尾素Irisin对牵张成骨的影响及其分子机制研究

Distraction osteogenesis (DO) is a new technique for correction of bone defects and bone deformities. However, DO is usually accompanied with some drawbacks, such as long treatment period, which limit its wide application.The need for a new approach to promote the bone formation and thus shorten the treatment period of DO is on a rise. Irisin is a recently identified myokine. Previous studies have indicated that physical exercise can significantly up-regulate the expression level of Irisin in the muscle, and also it has been reported that Irisin can translate the skeletal anabolic action of exercise through directly stimulating new bone synthesis by osteoblasts, suggesting that Irisin can be used as an exercise-mimetic therapy with anabolic action on the skeleton to promote the new bone formation during DO. In our study, the DO cell and animal models were used to investigate the expression of Irisin in the distraction gap, and to explore the effect of Irisin on new bone formation and the balance of systemic and local bone metabolism during DO, as well as to evaluate the influence of Irisin on the proliferation and differentiation of BMMSCs under the condition of mechanical load. To carry out our study, it will provide new ideas and new therapeutic targets for the DO treatment of maxillofacial bone defects and deformities.

牵张成骨(DO)是一种矫正骨缺损和骨畸形的新技术。然而，DO仍存在一些缺点，如治疗周期过长，限制了其广泛应用。故如何促进DO过程中新骨生成的速度及质量，缩短DO治疗周期，已成为一个亟需解决的临床难题。鸢尾素(Irisin)为近年来发现的一种新型的肌细胞因子。前期的研究表明：运动锻炼能够显著上调骨骼肌中Irisin的表达，而Irisin又能够直接作用于成骨细胞促进骨的生成，从而转化运动锻炼的骨合成代谢作用，进而提示我们可以运用Irisin模拟运动锻炼的骨合成代谢效应，并将其应用于DO过程中，促进新骨的形成。本项目拟通过建立DO的细胞和动物模型，研究Irisin在牵张间隙内的表达规律，探索Irisin对DO过程中新骨形成的作用及其对全身和牵张间隙局部骨代谢的影响，评价Irisin对力学加载状态下骨髓间充质干细胞增殖和分化的作用。本项目的开展，将为颌骨缺损和颌骨畸形的DO治疗提供新思路和新靶点。

作为运动效应分子机制的核心，鸢尾素（Irisin ）被认为调控着运动锻炼的积极作用。尽管 Irisin 作为代谢性疾病防治的一个新靶点已经得到了广泛的研究，但目前尚未见任何关于运用 Irisin 模拟功能锻炼的骨合成代谢作用，进而促进骨愈合过程中新骨形成的报道。因此，本项目在前期研究的基础上，进行了如下的研究：（1）通过建立新西兰大白兔胫骨的牵张成骨及骨折模型，采用RT-PCR 及Western blot检测牵张间隙及骨痂内Irisin的表达水平，结果证明：在牵张的过程中，Irisin在牵张间隙内的表达具有一定的时空规律，牵张力能够显著地促进Irisin在牵张间隙内的表达，进而影响着牵张间隙内细胞组织的增殖、分化及功能发挥的作用。（2）通过采用经典的四点弯曲细胞加力系统建立了体外细胞牵张模型。 分别检测了Irisin、机械应力以及两者联合作用对 BMMSCs 增殖和成骨向分化的影响，结果证实：Irisin（100 ng/mL）与机械应力（0.5Hz，2000με）联合作用对BMMSCs的增殖和成骨向分化具有协同作用，此效应可能通过P38、ERK1/2 MAPK信号通路发挥作用。（3）通过建立了SD大鼠的胫骨骨折模型，探索了Irisin对骨折愈合的作用及其对全身和局部骨代谢的影响。 结果发现：间断地于骨痂周围骨膜下注射Irisin，其能够通过对成骨细胞的直接作用增加骨多细胞单元的数量，进而在骨折早期导致骨形成标志物的快速释放（如BALP和OPG）；此外，随着Irisin对骨多细胞单元的激活，越来越多的骨多细胞单元会逐渐积累破骨细胞活性的吸收产物，并最终在骨折愈合的后期可以检测到骨吸收的标志物（如RANKL）。总之，在100μg/kg的剂量下，局部间断地注射Irisin可以通过增加骨多细胞单元的数量及活性来促进大鼠胫骨骨折的愈合。综上所述，本项目的开展，将为 Irisin 应用于临床治疗颌骨缺损、颌骨畸形及颌骨骨折提供相关理论依据。