炎症微环境中SIRT1介导的抗氧化损伤调控间充质干细胞修复关节软骨及其机制研究

Inflammatory microenvironment in injuried articular cartilage causes oxidative damage of transplanted mensenchymal stem cells (MSCs), suppresses their regenerative potentials, and results in a vicious circle of damage-repair-damage in articular cartilage. We previously reported that enhancing intracellular antioxidant properties of MSCs did not only prevent over-accumulation of reactive oxygen species but also rescued the impaired differentiation ability. However, the underlying mechanisms are unknown. Our recent study revealed that long-term incubation with pro-inflammatory cytokines significantly decreased SIRT1 expression in MSCs. Hence, we propose that SIRT1-mediated anti-oxidative damage is the key factor of cartilage regeneration based on MSCs. The project will study the long-term effect of inflammatory microenvironment on antioxidant system in MSCs and the protective effect of SIRT1 on functions of antioxidant enzymes, especially SOD2. We will focus on the mechanisms in which SIRT1-mediated anti-oxidative damage modulates in vitro MSC chondrogenic differentiation and in vivo cartilage reconstruction, improve the quality of hyaline cartialge regenerated by MSCs, and prevent neocartilage degradation. Results will offer new antioxdiant targats for cartilage treatments, provide important information for regenerative medicine theory, direct the design of antioxidant and anti-inflammatory cartilage scaffolds, and accelerate the development of stem cell therapy.

关节软骨受损部位的炎症微环境诱导植入的间充质干细胞发生持续性氧化损伤，抑制其组织修复功能，造成破坏-修复-再破坏的恶性循环。课题组前期工作证实，提高干细胞抗氧化功能可避免活性氧过度累积并恢复定向分化能力，但其内在机制尚未明确，随后研究发现SIRT1表达受炎性细胞因子下调，因此我们提出SIRT1介导的干细胞抗氧化损伤是软骨再生的关键因素。本项目拟在细胞分子和动物实验水平上，系统的研究炎症微环境破坏干细胞抗氧化体系的长期时间效应，阐明SIRT1调控抗氧化酶功能（尤其是SOD2）的关键作用，研究SIRT1介导抗氧化损伤对干细胞体外成软骨分化和体内关节软骨重建的促进机制，提高干细胞构建透明软骨的质量并预防新生软骨基质过早降解。研究成果将为关节软骨治疗提供新的抗氧化损伤靶向位点，为再生医学的发展提供重要的理论补充，并有助于指导设计具有抗氧化性和抗炎性的软骨组织工程支架材料，促进干细胞治疗技术的发展。

项目背景： 间充质干细胞修复关节软骨时，面临组织受损部位的炎症微环境，导致干细胞内的生物抗氧化功能被破坏，抑制其分化能力和基质合成能力，并且促使新生软骨过早降解，造成损伤-修复-失败的恶性循环。本研究针对炎症环境诱导间充质干细胞发生氧化损伤并抑制其成软骨定向分化的机制展开研究，阐明SIRT1在间充质干细胞抗氧化损伤和促成软骨分化中的关键调控作用，明确SIRT1在避免新生软骨过早降解、保护间充质干细胞治疗关节软骨疗效中的关键功能。.主要研究内容与重要结果：在探索SIRT1调控间充质干细胞抗氧化损伤以及促成软骨分化方面，我们首先研究了Kartogenin防止骨性关节炎的分子机制，研究发现Kartogenin增强间充质干细胞的抗氧化功能和降低胞内活性氧水平，揭示了Kartogenin通过激活SIRT1这一关键信号分子进而调控干细胞的抗氧化功能与分化能力。另一项研究同样证实，SIRT1激动剂褪黑素能有效抑制炎症环境中软骨基质的降解，并且褪黑素的抗关节炎效果与miR-140上调密切相关，明确了褪黑素经miR-140防止骨性关节炎诱导的关节软骨退变。为了进一步深入研究SIRT1对间充质干细胞抗氧化功能和定向分化能力的调控机制，我们发现了SIRT1随间充质干细胞成骨分化而增强这一现象，并阐明了SIRT1介导的抗氧化机制在干细胞成骨分化不同时间阶段中的调控机制。同时，我们揭示了SIRT1作为一种力学敏感性分子，介导了应力刺激对细胞抗氧化功能的调控作用，以及激活SIRT1有助于保护骨质疏松大鼠来源的干细胞的抗氧化功能和成骨分化能力，明确了SIRT1是潜在的治疗骨质疏松症的靶点。.关键数据及其科学意义：研究了炎症环境诱导间充质干细胞发生氧化损伤并抑制其成软骨定向分化的机制，揭示了SIRT1在间充质干细胞抗氧化损伤和定向分化中的关键调控作用，阐明了SIRT1对骨性关节炎和骨质疏松症防治的作用机制。.项目执行期间，共计发表SCI收录论文12篇（均带项目号），申请发明专利4项，其中1项获得授权，参加国内重要学术会议9人次。