骨修复材料移植早期的细胞应激与稳态维持对骨形成的作用机理研究

The clinical demands of bone repair materials are huge for massive bone loss, artificial bone replacement and spinal fusion. However, it is not entirely clear to understand the key regulatory mechanisms of interaction between bone repair materials and host in the process of bone regeneration. Literatures and our previous study suggested that some key regulatory genes and signaling pathways of cellular stress response and homeostasis are associated with the regulation of osteoblastic differentiation. We put forward the hypothesis that the epigenetic mechanisms such as DNA methylation and miRNAs are involved in the regulation process of bone formation during cellular stress response and homeostasis in the early phase of bone repair materials implantation. The project, using scientific technology and methodology from biology and biomaterials, focuses on relevant miRNAs to control cellular stress response and homeostasis of stem/progenitor cells for cell survival, proliferation and differentiation. We investigate the mechanisms of miRNAs regulatory networks mediated crosstalk between different signaling pathways in the regulatory mechanism of cellular stress response and homeostasis when stem/progenitor cells are migrated into materials. The successful implementation of the project will help to elucidate the biological mechanisms of interactions between host and biological materials. We will provide a theoretical basis in the design of bioactive bone repairing materials for more suitable bone repair materials for clinical use.

大段骨缺损与人工置换、脊柱融合等对骨修复材料的临床需求量十分巨大。但目前材料与宿主相互作用在骨形成过程中的关键调控机理并不完全清楚。一些文献和我们前期工作表明，细胞应激与稳态维持的关键调控基因与相关信号通路对成骨分化具有调控作用。我们提出“骨修复材料植入早期应激与稳态维持过程中miRNAs和DNA甲基化等表观遗传学机制参与了对骨形成的调控作用”假设。本项目结合生物学与材料学技术方法，重点研究应激与稳态维持的重要转录因子对干/祖细胞生存、增殖与分化的相关miRNAs调控作用。探讨miRNAs调控网络介导不同信号通路之间交叉串话的机理，以揭示细胞应激与稳态机制及其对迁移至材料中骨形成细胞生存、增殖与分化的调控机理。本项目如能成功实施将助于阐明生物材料与宿主相互作用的生物学机制，不仅可为生物活性骨修复材料的设计提供理论依据，并可设计制备具有生物活性且更适合临床的骨修复材料。

临床上骨科疾病导致的大段骨缺损、人工关节置换、脊柱融合等对骨移植材料需求巨大，而当前骨移植材料常以“爬行替代”为主，难以达到真正的“生物性融合”，甚至可因机体对植入物的纤维包裹而导致手术的失败。如何优化骨修复材料从而更有利于骨形成过程中细胞向成骨分化而避免纤维分化，已成为生物材料、组织工程及临床医学领域关注的焦点。.为解决该难题，本项目对骨修复材料与宿主间相互作用在骨形成过程中的生物学机制与调控机理进行了系列研究。首先在组织学和细胞学水平通过mRNA、miRNAs与DNA甲基化芯片联合分析表明，不仅骨修复材料移植早期发生应激与稳态维持的早期分子事件，包括低氧应激、氧化应激和内质网应激，而且通过表观遗传学机制参与调控移植早期分子事件以及膜内成骨或软骨内成骨过程及其结局；同时对骨修复材料移植后的不同时间点基因芯片分析，结果显示炎症与免疫调控的关键调控因子同样参与了成骨或成软骨过程。为验证骨修复材料移植早期分子事件中细胞生存、凋亡与增殖的调控机制和关键调控靶点，项目组通过体外实验发现氧化应激条件下包括miR-21调控PI3K/AKT通路，以及FOXO1下调miR-424靶向FGF2调控了MSCs细胞增殖及成骨分化等膜内成骨的调控机制；而低氧应激下包括miR-124、miR-140-5p分别参与靶向抑制NFATc1转录因子、血管关键因子VEGFα，介导调控骨髓间充质干细胞的成软骨分化机制。.与此同时，在模拟细胞外基质材料的研究中，项目组通过构建包括类细胞外基质多糖基水凝胶、自修复水凝胶以及藻酸盐-ε聚赖氨酸生物墨水等生物材料，为体外3D富集干细胞或生物活性因子促进成骨分化的可控调节提供了有效工具。并通过利用DNA甲基化修饰等方法构建了不同特性生物活性骨修复材料，明确了其体内外促成骨分化及骨形成的作用效果，对材料修饰是否可控调节骨修复材料移植的早期分子事件进行了有益的初步探索。.由于项目的开拓性工作，所取得的研究成果不仅阐释了表观遗传学机制参与调控骨修复材料与机体相互作用的生物学机制，同时为不同特性生物活性骨修复材料的可控调节设计提供了理论和实验基础。