基于感觉神经促骨损伤修复机理构建人工骨膜及其成骨效应的评价研究

Periosteum is indispensable in the process of fracture healing and bone defect repair, which is abundantly innervated with nerve fibers. Our previous research data showed that sensory nerve maintains bone homeostasis and promotes skeletal regeneration. Pilot study has demonstrated that the nerve fibers in periosteum is also participated in the process of bone defect repair, but the mechanism is unclear, and whether we can construct engineered periosteum based on this theory is to be investigated. Therefore, this project will firstly focus on the investigation of the mechanism that periosteum sensory nerve regulates the micro-environment of bone regeneration. Furthermore, we will construct the engineered periosteum with electrospunning, collagen molecule self-assembly and mesoporous bioactive glass nanoparticles, aiming to attract sensory nerve innervation for establishment of bone regeneration micro-environment. The results of this project will provide new concept and technical support for clinical treatment of fracture and bone defect.

骨膜是骨折及骨缺损修复必不可少的组成成分，富含神经纤维。本课题前期研究显示，感觉神经对骨代谢稳态维持和骨组织再生起显著的促进作用。预实验结果证明骨膜感觉神经纤维参与骨缺损的修复过程，但机理不明，且能否在此基础上通过构建适合感觉神经生长的人工骨膜而促进骨缺损修复也待研究。因此，本课题拟首先通过组织学和分子生物学方法对感觉神经促骨缺损部位血管生长和成骨前体细胞募集分化情况进行确证，探索感觉神经及其释放的神经递质在调控骨膜成骨微环境中的作用。基于这一机理，利用组织工程学方法构建以静电纺丝纳米纤维为基本支架，复合胶原分子自组装和多孔生物玻璃纳米粒的人工骨膜。观察取向的静电纺丝结构、自组装胶原、以及多孔生物玻璃纳米粒的药物控释特性对骨膜中感觉神经纤维生长的促进作用，从而为骨缺损修复提供更有效的微环境支持。研究结果将为骨缺损的临床治疗提供新的理论依据和可能的技术支持。

骨膜是骨折及骨缺损修复必不可少的组成成分，富含神经纤维。项目组前期研究显示，感觉神经对骨代谢稳态维持和骨组织再生起显著的促进作用。且结果证明骨膜感觉神经纤维参与骨缺损的修复过程，但机理不明需要研究。因此，项目组基于感觉神经参与骨缺损修复的可能，拟进一步明确感觉神经促进骨缺损修复的机理，以期在此基础上通过构建适合感觉神经生长的人工骨膜促进骨缺损修复。. 项目组在研过程中，先后1)阐明了感觉神经在骨缺损修复中的作用及作用机制2)明确了胶原自组装修饰的取向PLA纺丝膜在外周神经再生中的作用及其机制3)成功构建了具备促进局部神经纤维再生的人工仿生骨膜，并证实其通过成骨前体细胞募集分化和血管形成帮助骨缺损修复的作用4)基于骨膜成骨微环境机制构建新型纳米仿生骨膜及其促成骨机制的研究（超额完成部分）。. 项目首先通过在大鼠体内制作骨缺损模型，并结合NGF抑制剂抑制感觉神经生长，证实感觉神经在骨缺损修复过程中的作用不可或缺。进一步通过体外培养感觉神经元，利用条件培养基刺激证实其对成骨分化和血管形成具有促进作用，并利用CGRP中和抗体明确其是调控成骨微环境的关键。接着，项目组通过构建胶原自组装PLA取向支架并在外周验证其促进神经再生修复的作用。结果表明，取向PLA静电纺支架真实模拟了神经的定向排列结构，促进了外周神经损伤后轴突再生，而胶原修饰为周围神经损伤后轴突再生提供了充分的机械支撑。在此基础上，项目组进一步通过构建H-MnO2纳米载药颗粒修饰的PLA静电纺丝支架，增强外周神经在静电纺丝膜上再生能力，并验证骨缺损局部神经再生创造的成骨微环境对局部骨缺损的再生修复作用。结果表明，基于感觉神经促骨再生机理构建的仿生骨膜在骨缺损局部表现出了良好的骨再生修复能力。此外，项目组结合成骨微环境局部特点，成功利用PLA静电纺丝，多巴胺，H-MnO2纳米载药颗粒，LepR抗体及BMP2构建具有成骨微环境响应性的人工骨膜，通过体内外实验充分证实其良好的微环境适应性和显著的促骨形成能力。. 本项目着眼于人工骨膜的研发，形成了系列成果和系列产品，具备良好的转化应用前景，同时也具备良好的临床应用可能性，为临床治疗骨缺损提供了新的材料选择和治疗手段。