三维打印低氧模拟硼酸盐生物玻璃支架激活HIF-1α通路治疗激素性股骨头坏死

There is currently no effective way to treat steroid induced osteonecrosis of femoral head (ONFH), while the development of tissue engineering brings new hope, in which promoting the vascularization of scaffold materials is a hotspot. Hypoxia inducible factor-1α (HIF-1α) is s key regulator for cell in response to hypoxia, and studies have shown that it plays an important role in coupling osteogenesis and angiogenesis during bone regeneration. The use of inhibitors of prolyl hydroxylase (PHD), such as cobalt ions (CO2+), can stabilize HIF-1α expression and promote angiogenic effect. Our research group found borate bioactive glasses have excellent biocompatibility, bioactivity and controllable biodegradation properties, and can improve bone defects repair. Based on previous studies, we fabricate cobalt containing borate bioactive glass (Co-BG) scaffolds with high mechanical strength by 3D printing technology, planning to validate whether Co-BG scaffolds can promote osteogenic and angiogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) and repair ONFH. Furthermore, we plan to clarify the molecular mechanisms that how Co-BG scaffolds activate of HIF-1α signaling pathway and promote bone regeneration and ONFH repair. This proposed study taking advantage of material science and 3D printing technique will provide new ideas and scientific basis for the treatment of ONFH in future.

激素性股骨头坏死（ONFH）尚无理想的治疗方法，组织工程学的发展为其治疗带来了新的希望，其中促进支架材料的血管化是该领域的研究热点。低氧诱导因子-1α（HIF-1α）是一个细胞对缺氧反应调节的关键因子，研究显示它在骨再生时成骨和成血管偶联反应中发挥了重要作用，而通过使用脯氨酰羟化酶（PHD）抑制剂，如钴离子（Co2+）,可以稳定HIF-1α表达并产生成血管效应。本课题组长期致力于硼酸盐生物玻璃的研究，发现该材料具有良好的生物相容性、成骨活性和可控降解性等优点，促进骨缺损修复。在此基础上，我们利用三维打印技术制备高强度含钴硼酸盐生物玻璃（Co-BG）支架，拟通过系列实验，进一步验证Co-BG支架促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）成骨和成血管分化以及对ONFH的修复作用，阐明其通过激活HIF-1α信号通路促进骨再生和ONFH修复的分子机制。该课题的顺利实施，将为治疗ONFH提供新的思路和依据。

激素性股骨头坏死（ONFH）尚无理想的治疗方法，组织工程学的发展为其治疗带来了新的希望，其中促进支架材料的血管化是该领域的研究热点。低氧诱导因子-1α（HIF-1α）是一个细胞对缺氧反应调节的关键因子，研究显示它在骨再生时成骨和成血管偶联反应中发挥了重要作用，而通过使用脯氨酰羟化酶（PHD）抑制剂，如钴离子（Co2+）,可以稳定HIF-1α表达并产生成血管效应。在本课题中我们利用三维打印技术制备高强度含钴硼酸盐生物玻璃（Co-BG）支架为激素性股骨头坏死病灶清除后骨缺损提供有效填充。将骨再生重要前体细胞骨髓间充质干细胞（BMSCs）作为实验细胞，体外实验分析Co-BG支架对BMSCs的增殖、迁移、成骨成血管以及相关重要信号通路的影响。体内实验观察Co-BG支架促进骨缺损再生修复的作用以及对ONFH的治疗作用。实验结果显示Co-BG支架具有良好的生物相容性、成骨活性和可控降解性等优点；Co-BG支架可激活BMSCs 分泌VEGF蛋白，促进HIF-1α表达以及成骨成血管相关基因表达；Co-BG支架具有显著修复骨缺损的作用：组织学染色及免疫组化结果显示缺损处有大量新生组织长入并且血管化明显，micro-CT结果显示骨缺损处有明显新生骨长入，荧光标记结果显示其加速骨盐沉积矿化；免疫组化结果显示其促进成骨成血管标志物的表达。本研究该课题的顺利实施，将为临床ONFH的治疗提供新的思路和科学依据。