矿化胶原调控骨髓间充质干细胞的成骨分化研究

Bone defects caused by various reasons are common in clinical practices. As the development of medicine, traditional bone filling/substitution materials cannot meet the clinical requirements. An idea bone repair material should not only have good ability on guiding bone tissue regeneration, but also possess osteoinductive activity, so as to stimulate bone regeneration and promote bone repair. Mineralized collagen is a biomimic bone repair material that prepared by in vitro biomimetic mineralization technique. The mineralized collagen has similar chemical composition and microstructure to natural bone matrix, and is able to guide bone tissue regeneration and repair bone defect. The present project proposed to study the regulating effect of mineralized collagen on osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells (bMSCs), based on long-term research achievements of our research group on mineralized collagen. In this project, osteoinductive activity of the mineralized collagen will be studied by a comparison with the regulating effect of nano-sized hydroxyapatite on the osteogenic differentiation of bMSCs; regulating effect of organic/inorganic proportion of mineralized collagen on the osteogenic differentiation of bMSCs will be investigated; and signaling pathways related to such regulating effect will be preliminary studied. The present study is helpful to demonstrate the regulating effect of component proportion of mineralized collagen on the osteogenic differentiation of bMSCs, guide optimization design of the material on osteoinductive activity, and clarify the mechanism of such osteoinductive activity of the mineralized collagen.

临床上不同原因导致的各类骨缺损十分常见，随着医学的不断发展，传统的骨填充/替代材料已不能满足临床要求。理想的骨修复材料不仅应具备良好的引导骨组织再生能力，材料本身还应具有成骨诱导活性，以刺激新骨再生，促进骨缺损修复。矿化胶原是通过体外仿生矿化技术构建的仿生骨修复材料，具有与天然骨基质一致的化学成分和微观结构，能够引导骨组织再生，修复骨缺损。本项目基于我课题组对矿化胶原的长期研究积累，提出对矿化胶原调控骨髓间充质干细胞（bMSCs）的成骨分化作用展开探索。本项目中，通过与纳米羟基磷灰石促bMSCs成骨作用对比，研究矿化胶原的成骨诱导活性；研究矿化胶原的有机/无机组分比例对bMSCs成骨分化的调控作用；以及对该调控作用的相关信号通路展开初步探讨。本研究将有助于阐明矿化胶原的组分比例对bMSCs成骨分化的调控作用，指导材料成骨诱导活性的优化设计，并初步揭示矿化胶原的成骨诱导活性机理。

项目的背景：骨科临床对骨修复材料的需求量大且要求很高，理想的骨修复材料不仅应具备良好的引导骨组织再生能力，材料本身还应具有成骨诱导活性，以刺激新骨再生，促进骨缺损修复。矿化胶原是通过体外仿生矿化技术构建的仿生骨修复材料，具有与天然骨基质一致的化学成分和微观结构，能够引导骨组织再生，修复骨缺损，然而其相关机理尚不清楚。本项目基于我课题组对矿化胶原的长期研究积累，提出对矿化胶原调控人骨髓间充质干细胞（hbMSCs）的成骨分化作用展开探索，初步揭示这种仿生材料的成骨活性机理。.主要研究内容：1、制备矿化胶原和纳米HA材料，并在两种材料上进行hbMSCs的培养，对细胞的成骨分化展开对比研究，重点观察细胞在材料上的形态以及定量检测碱性磷酸酶的活性，证明矿化胶原的成骨诱导活性。2、对矿化胶原和纳米HA两种材料上培养的hbMSCs进行基因芯片检测，研究矿化胶原促进hbMSCs成骨分化的机理；通过基因本体分析，得到不同组别材料上细胞的差异表达基因；并通过KEGG通路分析，探索相关信号通路。3、对体外仿生矿化技术进行优化设计，制备出不同理化特性的矿化胶原材料。.重要结果、关键数据及其科学意义：1、通过与纳米HA材料的对比研究，证明胶原/纳米HA有序排列复合而成的矿化胶原材料比单纯的无机HA陶瓷更有利于hbMSCs的贴附和增殖，并能够上调ALP活性表达，从而对hbMSCs成骨分化具有更好的促进作用。2、通过基因芯片技术对矿化胶原材料调控hbMSCs成骨分化的相关信号通路展开研究，定量检测出材料对hbMSCs基因表达上调和下调的作用，获得细胞活性表达的相关信号通路，并对有代表性的成骨相关差异表达基因展开分析，初步揭示了仿生矿化胶原人工骨材料的成骨诱导活性机理。3、根据矿化胶原材料对hbMSCs成骨分化的调控作用，结合材料制备技术的改进和优化，制备出具有不同微观结构和理化性状的成骨诱导功能性仿生矿化胶原材料。通过本项目研究有助于阐明仿生矿化胶原材料对hbMSCs成骨分化的调控机理，并进一步指导材料的优化设计。