成血管与成骨双向诱导的BMSCs复合负载rhBMP-2纳米纤维聚乳酸支架修复长段骨缺损

骨组织工程的关键在于骨修复过程中的血管化，最近研究表明成骨细胞与内皮细胞间通过相互交流耦合机制及旁分泌信号等方式进行功能联系，调控成血管与成骨。骨髓间充质干细胞（BMSCs）双向诱导后成为一定比例的成骨细胞、内皮细胞和BMSCs共培养体系，前期研究证实两种细胞在共培养体系中的比例与介质的选择至关重要。鉴于我们通过热致相分离法研制的负载rhBMP-2的纳米聚乳酸(PLLA)材料支架，具备良好的力学性能与生物相容性，出色的联通率与比表面积，便于细胞附着生长并具备可调控的药物缓释能力,能够随新骨形成逐渐降解为CO2和水，可为骨缺损的修复提供理想的支架材料。在此基础上，利用MSC细胞进行双向诱导形成成骨细胞和内皮细胞共存体系，探索恰当的细胞配比,并以此作为种子细胞，与支架材料复合构建组织工程骨，利用两种细胞间因子水平调控作用使成骨和毛细血管网化相互促进并提供营养，有望成为修复长段骨缺损的理想方法。

研究背景与目的：骨组织工程的关键在于骨修复过程中的血管化，本研究初步探索成骨成血管双向诱导BMSCs构建组织工程骨的可行性，并观察双向诱导后的BMSCs复合负载rhBMP-2的纳米纤维PLLA支架修复长段骨缺损的作用效果。研究内容：制备负载有rhBMP-2的多微孔纳米纤维PLLA可降解支架，并通过扫描电镜（SEM）和生物力学测试检测其孔道情况和力学性能。提取并分离培养兔BMSCs，并按诱导方式的不同将BMSC分为四组：A组（单纯的BMSc组）、B组（成骨诱导的BMSCs组）、C组（内皮诱导的BMSCs组）、D组（双向诱导的BMSCs组）。流式细胞仪检测诱导前后细胞表面抗原变化，并通过钙结节染色和成管实验观察成骨成血管的效果。SEM观察种子细胞与纳米纤维PLLA支架的复合情况。动物实验建立兔桡骨长段骨缺损模型，按负载的种子细胞的不同，将植入的负载rhBMP-2的支架分为五组：A组（无细胞组）、B组（成骨诱导的BMSCs组）、C组（内皮诱导的BMSCs组）、D组（BMSCs组）、E组（双向诱导的BMSCs组）。术后X线、生物力学检测观察骨修复情况，HE、Masson、Ⅰ型胶原免疫组化染色观察新骨形成情况，内皮细胞CD31免疫荧光观察血管形成情况。重要结果：负载有rhBMP-2的多微孔纳米纤维PLLA可降解支架的孔隙率为90%-92%，孔径约150-250μm，并且具有良好的生物力学性能与生物相容性。体外双向诱导的BMSCs同时具备了较好的成骨和成血管的能力。动物X线摄片显示术后24周E组已完全修复骨缺损，其新生骨板基本达到正常形态。生物力学结果显示E组于术后24周其生物力学性能基本达到正常对照组的80%，均大于其余各组。HE染色中E组于术后2周组织学观察可见少量炎性细胞，较多新生胶原分布于骨缺损断端；术后4周可见骨基质形成，同时有毛细血管浸润；术后12周可见编织骨及原始髓腔结构形成，并可见较大血管；术后24周可见成熟的板层骨和髓腔形成，MASSON染色各组均可见红色新生板层骨形成，尤以E组最多。CD31免疫荧光可见E组血管数量多于除C组以外的其他组，且在第4周已出现。结论：双向诱导的BMSCs复合负载rhBMP-2的PLLA支架在骨缺损局部促进成骨的同时，在支架材料内部形成毛细血管网为种子细胞提供血供，从而加速恢复正常的骨结构，为血运较差的骨修复环境提供了应用参考。