利用3D微环境与组蛋白修饰机制调控间充质干细胞修复难愈性创面的研究

Non-healing cutaneous wound has become a common and dangerous disease with its rising tendency of incidence. Therapeutic application of mesenchymal stem cells (MSC) is promising since they have been proved to be able to promote cutaneous wound healing and the regeneration of multiple tissues and organs. However, our previous research found that MSC exhibit inferior function in the non-healing cutaneous wound compared to those under normal condition. This indicates the existence of inhibitory factors and cascades within the complex healing system, but the mechanism underlying this remains exclusive. The current project will establish multiple traumatic culture models which simulate the 3D microenvironment at the wound site, and elucidate the dynamic change and critical molecules which mediate the effect of environmental stimuli on the MSC. Experimental design will be aimed to figure out how the modification pattern of histone methylation and their regulation control the gene expression in the MSC, and to find the link between this level of control and cell function. Based on our established systems, we will explore the treatment of the non-healing cutaneous wound on the animal model by using 3D bioprinted MSC/microcarrier complex which combine the regulative effect of external microenvironment and internal epigenetic modification. The current project could not only deepen our understanding of the mechanism underlying the regulation of reparative cell function at the epigenetic level, but also lay the foundation for the future establishment of MSC-based therapy for the non-healing cutaneous wound.

皮肤难愈性创面以其趋高的发病率和难治性成为当今危害人类健康的重要疾病类型。具有促进创面愈合和多种组织器官再生功能的间充质干细胞（MSC）有望成为其新型治疗手段。然而申请人前期研究发现，相比于正常创面，MSC在难愈性创面中的促愈功能下降，说明微环境中存在对外源性MSC的抑制因素，但其分子机制尚不清楚。本项目拟建立影响MSC的三维创面微环境模型，于转录组水平研究细胞生物学行为受微环境影响的变化规律和关键分子，重点阐述组蛋白甲基化修饰模式及其控制因素在微环境导致基因表达变化中的调控作用，深入了解染色质结构变化对细胞功能的决定机制，发展可有效调节胞外创伤微环境和核内表观遗传修饰的3D微环境构建技术，评价3D-MSC/微载体复合体在成熟的皮肤难愈性创面动物模型中的再生修复作用。本项目的开展不仅能在表观遗传学水平深入理解细胞功能的调控机制，而且能为建立基于MSC的难愈性创面新型治疗方案奠定基础。

在项目执行期间，课题组基本按照项目计划书的研究方案和研究计划执行，顺利完成了计划书的研究内容，并在原有的研究内容基础上有所扩展。既完成了创伤微环境对MSC产生的生物学效应规律以及RNA甲基化m6A修饰在MSC感受创伤微环境中的潜在作用等研究，又以利用生物3D打印技术建立可精准调控MSC定向分化为汗腺细胞的微环境等为研究重点完成了创新策略和机制研究。项目在研期间的重要发现包括：（1）生物3D打印基质微环境通过生化信号（CTHRC1）及结构信号（Hmox1）协同诱导汗腺再生，由此表明这两种信号机制是生物3D打印基质微环境推动MSC向汗腺细胞分化命运和完成功能性汗腺恢复的两个关键影响因素。（2）通过将藻酸盐裂解酶加入海藻酸盐-明胶基生物墨水后的性能研究其对细胞迁移增殖和分化等生物学行为的影响研究，证明藻酸盐裂解酶可作为添加成分改善海藻酸盐/明胶生物墨水的性能。这一研究为基于藻酸盐的生物墨水的性能改进提供了新途径。（3）证明生物3D打印微环境可诱导乳腺祖细胞向汗腺细胞分化，并进一步证明其主要是通过激活汗腺发育通路Shh信号通路实现。研究证明了生物 3D 打印的微环境在决定小鼠乳腺祖细胞命运和细胞功能方面的关键作用，该方案可能为将来通过人工微环境在体外诱导理想的功能性汗腺细胞或组织提供工具；（4）证明TNF-α通过调控 mRNA m6A 甲基化水平可影响MSC向汗腺细胞分化，该研究首次阐明了 m6A 修饰在MSCs功能中的重要性，为微环境在转录后水平调控 MSCs 的多能性提供了新的认识。此外，通过调节m6A修饰维持 MSCs 分化能力，为干细胞介导的再生医学提供了一个新的治疗靶点。以上研究达到了本项目设立的将模拟天然环境的生物材料、促进愈合的生长因子等通过生物3D打印手段有机结合构建细胞微环境的目标，阐明了如何通过内外协同达到多条途径操控细胞功能的机制，为探索高效利用微环境调控诱导再生理论转化至临床应用提供经验。本项目研究取得成果发表了SCI论文12篇。