种植体表面形貌影响骨髓基质干细胞归巢、分化的分子机制研究

The mechanism of implant osteointegration induced by bone marrow stromal cells(BMSCs) is unclear. Studies showed that the nano-microtopography on the implant surface affect the proliferation, differentiation and osteogenesis of BMSCs. However, there is discrepancy between in vitro studies and the micro environment in vivo.This study intends to use genetically modified mice as animal models to research how does the implant surface topography affect endogenous BMSCs(Mx1 + stromal stem cells) and exogenous BMSCs (GFP/PKH26 markup) homing to the implant surface 、 proliferation 、 differentiation and directional development. The research results will help us get a better understanding of molecular mechanism of homing and differentiation of bone mesenchymal stem cells induced by implant surface, and give an instruction for the development of novel implant surface in the future.

骨髓基质干细胞在种植体骨结合形成过程中的具体作用机制尚不清楚。本课题组及其他学者的体外研究均表明种植体表面的微米纳米形貌会影响附着在其表面的骨髓基质细胞的增殖、分化和成骨。但是，体外研究与种植体植入骨内的微环境还是有很大的差别。在体内，种植体表面形貌又是如何影响骨髓基质干细胞在种植体周围的募集、增殖、分化以及成骨呢？最近研究表明，Mx1＋基质干细胞表现为骨髓基质干细胞的特征，也许是骨髓基质干细胞中的一个特定的亚群，是骨折愈合过程中成骨细胞的来源。本研究拟采用转基因鼠的动物模型，研究种植体表面形貌是否影响内源性骨髓基质干细胞（Mx1＋基质干细胞）和外源性骨髓基质干细胞（GFP／PKH26标记）向种植体表面归巢，增殖和定向成骨分化等。该研究结果将更好了解骨结合形成过程中种植体表面形貌影响骨髓基质干细胞行为、命运的分子和细胞机制，也为今后研发新型种植体表面起到良好的指导作用。

种植体表面的成骨细胞来源于临近组织或外周血的骨髓基质干细胞（BMSCs），理想的种植体表面应具备募集BMSCs并促进其成骨分化的特点。我们在喷砂酸蚀形成的微米级多孔纯钛表面上，通过水热法掺锶构建了含锶微纳米多孔纯钛表面，该表面兼具仿生形貌和可持续释放锶离子的特点，能促进BMSCs黏附、迁移和成骨分化，具有良好的生物相容性。我们通过体内实验探究了种植部位成骨及炎症相关细胞的分布情况，证实了掺锶种植体能促进BMSCs向种植部位归巢及成骨相关细胞在种植体周围聚集，加快骨整合形成，增强骨整合强度。通过生物化学和蛋白质组学研究，我们发现了一系列与干细胞生存、迁移及成骨相关的信号通路分子，揭示了Sr2+促进BMSCs迁移、归巢和骨形成的作用机制。Mx1+基质干细胞为骨髓基质干细胞中具有成骨分化倾向的一个亚群，我们构建了Mx1-Cre-ER+Rosa-YFP转基因小鼠，通过观察条件性激活的绿色荧光蛋白GFP（YFP），能示踪Mx1+细胞。我们发现Mx1+细胞在体内能分化为成骨细胞，掺锶种植体能促进Mx1+细胞迁移及Mx1+Nestin+MSCs在种植体周围募集。本研究为进一步阐明种植体表面特性影响BMSCs行为、命运的分子和细胞机制提供了理论依据，也为新型种植体表面研发起到良好指导作用。项目资助已发表SCI论文8篇,获得项目相关国家发明专利1项。