基于短肽/干细胞自募集的纳米材料血管化及其骨形成机制的研究

Bone defect (especially the critical bone defect) repairing is a great challenge in the clinical practice.Artificial bone graft ( ABG ) is a promising alternative of widely but defective bone graft in future. It is difficult to apply artificial bone graft ( ABG ) from bench to the bedside and repair large bone defect with ABG due to initial lacking of vascularization. The project is based on the previous polycaprolactone (PCL) / poliglecaprone(PGC) nanomaterials research and preliminary experiment result that WKYMVm and YIGSR peptide could initiative recruit, adhere and differentiation of bone marrow stem cells(MSC) and vascular endothelial progenitor cells (EPC), hypothesis that peptides (WKYMVm and YIGSR peptide )coupled nanomaterials could self-recruit stem cells, including MSC, EPC to angionesis and vascularization in situ is put forward. Given the short peptides (WKYMVm and YIGSR peptide ) is easy to hydrolysis because of protease, PCL/PGL nanomaterial is modified with WKYMVm , YIGSR and flexible peptides. Research on MSC,EPC self-recruitment, adhere, endothelial cells differentiation, blood vessels forming, bone formation by the above bionic nanomaterial and their molecular mechanisms is explored under bone defect repairing and hypoxia circumstance. This study will provide horizon of in situ vascularization and bone defect repairing of short peptides modified nanomaterials without seed cell.

骨缺损修复（尤其是大段骨缺损）是当今临床医学面临的巨大问题。生物人工骨（ABG）是替代当前临床广泛应用、但存在严重缺陷的骨移植修复技术的新方向。然而，ABG由于血管化有限等问题严重限制其临床应用。因此，本项目基于国内外和课题组既往在纳米材料（PCL、PGC等)和短肽能促进干细胞募集、粘附和分化骨髓基质干细胞（MSC）、血管内皮祖细胞（EPC）的基础上，提出WKYMVm/YIGSR短肽修饰纳米支架材料可特异性自募集MSC、EPC协同实现原位血管化及成骨的假说。同时，鉴于短肽易被蛋白酶水解的难题，构建WKYMVm/YIGSR柔性短肽修饰的PCL/PGL纳米材料，并通过体内外实验考察上述短肽-纳米材料在骨缺损修复（低氧）环境下促MSC、EPC自募集、粘附、内皮分化和血管化以及骨形成的作用，并探讨其机制。本项目的顺利实施将有望为无种子细胞纳米材料的原位血管化及骨缺损修复提供新的研究思路和实验依据。

生物人工骨（ABG）是取代当前存在严重应用缺陷的自体骨和同种异体骨的移植材料。然而，ABG血管化能力薄弱的问题严重限制了其临床应用。本项目基于内皮祖细胞（EPCs）自发参与血管化的能力，构建可募集宿主内皮祖细胞（EPCs）的WKYMVm/YIGSR短肽复合纳米支架材料，考察其促进原位血管化及骨再生的作用并探索相关机制。首先，我们在静电纺丝聚己内酯（poly-ε-caprolactone, PCL）/聚卡普隆（poliglecaprone, PGC）纳米材料表面结合 WKYMVm 和 YIGSR 两种短肽，构建了纳米支架材料PCL/PGC-WKYMVm/YIGSR；通过体外细胞增殖、粘附、迁移和血管样结构形成实验评估了所得支架对 EPCs 细胞行为的影响，结果显示该材料显著促进 EPCs 粘附、迁移和血管样结构形成；植入大鼠临界颅骨缺损部位后，该支架可通过募集宿主EPCs加速血管化进程进而促进骨组织再生。并且证明了WKYMVm与YIGSR两种多肽联合应用可以通过PI3K/AKT/VEGF通路调节EPCs细胞行为从而促进血管再生。本项目还证明了WKYMVm能够抑制破骨细胞分化成熟，通过调控骨吸收平衡达到加速骨修复的目的。.综上所述，本项目构建的募集宿主EPCs的纳米支架有效地实现了快速血管化并促进了骨组织再生，为ABG的血管化及下一代ABG的设计和构建提供了具有理论与实践参考价值的新策略。