生物活性支架材料通过DNA去甲基化调控牙周膜干细胞骨组织再生的分子机制研究

Using seed cells for association culture with bone tissue engineering materials is the most effective way to repair bone defect. However, due to the limitation of adult bone regeneration capacity, the therapeutic effects turn out inefficacious. In order to investigate tissue engineering related bone regeneration and its underlying mechanisms, our study aim to fabricate KGN modified scaffolds to achieve high functional composites, and explore its role toward stem cell mediated bone regeneration and its mechanisms. First, we establish newly designed bioactive KGN-PCL scaffold, and verify its ability to induce periodontal ligament stem cells (PDLSCs) toward osteogenic differentiation. Then, functional validate the KGN-PCL scaffold on stem cell related bone regeneration capacity in vivo, by using mice critical size cranial defect model. At last, illustrate the functional role of KGN on modulating PDLSCs mediated bone regeneration through DNA demethylation, and clarify the underlying mechanisms on how KGN active DNA demethylase TETs expression levels to regulate bone development related genes. This work demonstrated the important role of TET mediated DNA demethylation on bone tissue regeneration, and provided new insight for scaffold design, which would promote bone tissue engineering toward clinical application.

利用组织工程技术，将种子细胞与生物支架构建的骨组织工程材料用于骨缺损修复是一种有效的治疗手段，但是骨发育成熟后骨再生能力会显著降低而难以应用于临床。为了探索组织工程材料介导骨再生及修复机制，本项目拟将具有定向成骨诱导作用的KGN修饰于组织工程支架，以期获得高性能复合材料并探索其对干细胞介导骨组织再生的调控机制。具体研究手段是通过材料表面改性，构建具有定向诱导牙周膜干细胞（PDLSCs）成骨向分化功能的新型支架材料；再建立小鼠颅骨缺损模型，验证支架对PDLSC骨再生功能的影响及修复大面积骨缺损的疗效；最后通过探索材料对骨发育相关目的基因DNA去甲基化水平的调控作用，阐明KGN影响PDLSCs中DNA去甲基化酶TET的活性/表达水平以调控骨再生的分子机制与通路，揭示TET介导的DNA去甲基化在骨组织再生中的重要作用。预计相关研究能够为构建新型支架材料和推进骨组织工程的临床应用提供一个新思路。

口腔颌面骨缺损严重影响患者的咀嚼、语言功能和面容，不仅损害患者的身心健康，也给社会带来巨大的经济负担。目前临床应用修复材料存在降解速度慢、生物活性不足、诱导性能差等问题，无法实现良好的修复效果。本课题针对计划书的研究目标深入开展了一系列研究工作，突破了水凝胶材料强度不足、生物活性低的技术瓶颈，制备了具有局部免疫微环境调节及成骨基因靶向调控的高性能水凝胶修复材料用于大面积颅骨缺损修复。作者采用了四臂聚乙二醇（tetra-PEG）、壳聚糖（CS）与阿司匹林三种易于获取且成本较低的原材料和简便可行的合成方法构建了四臂聚乙二醇-壳聚糖复合凝胶阿司匹林缓释体系。该体系兼备机械性能与生物活性，同时能够实现阿司匹林体内缓释，从而调控局部骨免疫，营造骨诱导环境促进新骨再生。体内实验表明，该组织工程水凝胶体系能够有效修复大面积颅骨缺损。在生物学机制上，通过体外与间充质干细胞共培养的分子生物学、组织学等相关指标检测，阐明了高性能水凝胶体系通过调控局部免疫环境及成骨相关基因的骨组织再生机制机理。本项目所构建的水凝胶体系兼具易制备性与经济性，使其具备临床转化的可能。