miRNAs—YAP/TAZ调控信号在BMSCs响应纳米拓扑结构启动成骨分化中的机制与应用

Nanotopography ccould target osteogenic differentiation of stem cells, providing a promising strategy for functional biomaterials design. However, the underlying mechanism of how cells sense the biomechanical signals and further result in the differences of osteogenic lineage remains elusive. The miRNAs have showed great potential in osteogenic differentiation process. Based on the study of global gene microarray analysis, we have dmonstrated that YAP/TAZ cascade signal played a vital controlling role in bone marrow mesenchymal stem cells’ (BMSCs) osteogenesis induced by nanotopographical membranes, and we further predicted 5 miRNAs mediating this process. Herein, this program would further explore the molecular mechanism and application potential of miRNAs—YAP/TAZ signaling, initiated by nanotopography, in targeting osteogenic differentiation of BMSCs. MicroRNA array hybridization and bioinformatic techniques will be conducted to find out target miRNAs. After that, gene function studies will be performed to detect those miRNAs’ regulatory functions in BMSCs’ osteogenic differentiation mediated by nanotopography. Furthermore,correlation between miRNAs and mRNA maps will be analyszed to construct the signaling network of target miRNAs-YAP/TAZ in nanotopography regulating BMSCs’ osteogenesis. And the materials, controlled releasing miRNA inhibitor, will be applied in critical bone defect in vivo. The results of this project will provide insight into the nanotopography mediated osteogenesis and novel functional biomaterials design.

纳米拓扑结构可有效介导干细胞成骨分化，给支架材料功能设计以启示，但其生物响应机理尚未阐明。研究证实转录后调控在细胞成骨分化中起重要调节作用。申请人前期全基因组芯片研究发现，在转录水平YAP/TAZ作为网络枢纽在BMSCs响应纳米拓扑结构启动成骨分化中起到核心调控作用，并采用生物信息技术预测到可能参与YAP/TAZ转录后调节的5个miRNAs。本研究以此为基础，进一步探讨miRNAs—YAP/TAZ调控信号在BMSCs响应纳米拓扑结构启动成骨分化中的机制与应用，采用微阵列技术筛选出以YAP/TAZ为靶点的miRNAs，通过基因功能学研究阐明其作用，完成特异性上下游通路生物学功能验证，初步解析miRNAs—YAP/TAZ信号的调控机制，并探索关键miRNA inhibitor控释支架材料调控生物响应促进骨修复效果。研究结果将为以促进“机械转导”为靶向，优化材料设计促进生物愈合提供依据。

颌面骨缺损严重影响患者身心健康，导致家庭破裂，社会不稳定，因此其临床诊疗是重大社会需求。植入修复改变了自体骨移植“拆东墙补西墙”的现状，为颌骨再生带来希望，然而目前植入修复面临瓶颈制约：成骨数量少、速度慢。究其原因，天然颌骨是颌面部的核心力学支撑，是宏观微观力学性能的完美结合；植入材料设计方面，目前研究主要集中于宏观生物力学适配获得骨传导性，提供骨再生的空间；如何使骨很好的形成并长入到这个空间内则需要骨诱导性，纳米尺度生物力学适配是骨诱导性的重要基础，尚不明晰，导致骨诱导性不足。 “如何提高植入材料与天然颌骨间纳米尺度生物力学适配”是尚未解析的关键科学问题，因此，在本项目支持下，申请人从临床需求出发，紧密围绕关键科学问题,逐层深入开展研究，创新性学术贡献主要集中在以下两个方面： 1.机理解析——揭示天然骨再生的纳米生物力学调控机理，为植入材料骨诱导性设计提供理论依据：解析手性纳米结构适配性引发生物力学传导是细胞响应骨基质结构微环境的重要始动机制，进而阐明纳米结构顺序激活力学支撑结构与力学传导因子的时序性动态过程规律，并设计仿生细胞膜孔道实现选择性生物力学识别与响应； 2. 理念创新——设计人工骨主动激活纳米生物力学信号传导，为提高植入材料成骨诱导效能提出新方向：提出纳米尺度生物力学适配调控理念，设计适配细胞感受运动尺度的纳米阵列主动激活机械敏感生物力学传导，设计适配缺损骨壁内源电学特性的纳米表面高效激活电压敏感生物力学传导，显著促进成骨。