软骨干细胞分化调控及复合温敏性原位成型水凝胶修复关节软骨

The treatment of cartilage defect is severe challenges in orthopaedics clinical, so far, the methods of cartilage repair still difficult to obtain high quality hyaline cartilage and maintain their phenotype for a long time. The presence of tissue adult stem cells is a key component for a rapid and successful regeneration of various tissues. Recent studies have shown that there is a group of multipotent stem cells in the surface of cartilage (CSPCs), however, the biological characteristics of CSPCs and their function in cartilage repair are still unknown. In our previous study, we have derived and identified CSPCs and found that the chondrogenic differentiation ability of CSPCs is better than bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BMSCs). We have found that key inflammatory factors TNFα and IL-1β of trauma microenvironment could inhibit CSPCs chondrogenesis. The project aims to research the effect mechanism of TNFα and IL-1β on CSPCs chondrogenesis, find and regulate the key factor of crosstalk between inflammatory pathway induced by TNFα and IL-1β and cartilage development key pathway TGFβ/Smad. The in situ forming thermosensitive hydrogels will be functionally modified by cartilage matrix and regulation factors based on the mechanism we found, we further develop CSPCs/hydrogels transplant and repair articular cartilage in vivo. The study will provide new theory and strategy for articular cartilage repair.

软骨缺损的修复是骨科临床的严峻挑战，迄今为止仍难以获得高质量的透明软骨及维持其表型。组织中成体干细胞的存在是不同组织快速及成功修复的一个关键因素，最近国际上有研究组发现软骨表层存在软骨干细胞（CSPCs），但其具体的生物学特性及参与软骨修复的作用还未见报道。我课题组前期在软骨中分离了CSPCs，证明此类干细胞成软骨分化的能力明显高于骨髓来源的间充质干细胞（BMSCs），并发现损伤局部关键炎症因子TNFα和IL-1β会抑制CSPCs成软骨分化。本研究拟在前期研究的基础上，探索TNFα和IL-1β抑制CSPCs软骨分化的机制，寻找TNFα和IL-1β介导的炎症通路与软骨发育关键通路TGFβ/Smad之间交互作用的关键分子，并实现对该关键分子的调控。进一步拟通过对温敏性原位成型水凝胶的软骨基质及调控因子修饰，构建CSPCs/水凝胶移植物并进行体内软骨修复验证。为关节软骨修复提供新理论及新策略。

软骨缺损的修复是骨科临床的严峻挑战，迄今为止仍难以获得高质量的透明软骨及维持其表型。组织中成体干细胞的存在是不同组织快速及成功修复的一个关键因素，最近国际上有研究组发现软骨表层存在软骨干细胞（ACSCs），但其具体的生物学特性及参与软骨修复的作用还未见报道。本研究用纤连蛋白可以比较特异性的分选出ACSCs；ACSCs高表达干细胞的阳性marker (CD44, CD90)，同时几乎不表达干细胞的阴性marker (CD31, CD34, CD45)；ACSCs有很强的克隆形成能力，同时其成骨和成脂分化能力明显强于关节软骨细胞，而比骨髓间充质干细胞（BMSCs）弱。由TGFβ1诱导的ACSCs的pellet培养成软骨分化过程可以被炎症因子抑制，且抑制效果呈现明显的剂量依赖性。进一步的研究发现，炎症因子是通过下调TGFβ的二型受体（TGFβRII），上调Smad7，抑制TGF-β/Smad通路，进而抑制了TGFβ1的诱导作用。BAY11-7082可以通过阻止炎症因子引起NF-κB通路的激活，进而阻止炎症因子对TGFβ1成软骨诱导作用的抑制，并恢复TGF-β/Smad通路的活性。此外，草药小分子脱水淫羊藿素（AHI）首次被鉴定为促进ACSCs软骨分化的生物活性因子，通过将OSA、GCS、ACSCs和AHI-mSiO2 NPs复合在一起，设计了创新的AHI持续释放系统，以实现原位软骨再生。 AHI的持续释放行为归因于无机mSiO2 NPs和有机水凝胶骨架的介孔通道的协同作用。多功能生物相容性复合水凝胶系统具有产生3D活细胞支架用于原位注射和持续释放生物活性因子的能力，因此，在诱导ACSCs增殖、体外分化以及促进体内细胞外基质产生和软骨再生方面具有很大的优势。这种构建功能性复合水凝胶的方法可作为优化缺损部位局部微环境并诱导干细胞参与组织和器官再生的策略。