基体材料中溶出阳离子对骨形态发生蛋白活性的调控及作用机理研究

骨形态发生蛋白-2（BMP-2）是目前硬组织修复材料/植入体活性化最常用的细胞因子，高活性固载和高效使用是其目前临床应用中存在的最大挑战。阳离子可通过与氨基酸残基结合而影响蛋白的微观结构和活性。为此，本研究以临床常用钙磷基骨修复材料中溶出的钙、镁、硅、锶等典型阳离子为研究对象，系统地探索不同阳离子对BMP-2诱骨活性的影响，阐明过程的基本规律。在此基础上，采用现代蛋白分析和数学模拟的手段，并结合体外细胞实验，从原子、分子和细胞水平深入地研究不同阳离子对BMP-2微观结构、BMP-2受体结合以及细胞内分子作用通道相关蛋白和基因表达的影响，努力揭示基体材料中溶出阳离子对BMP-2生物活性的作用机制，构建阳离子影响BMP-2活性的理论模型。研究将为利于BMP高活性固载载体的设计与构筑提供直接的理论与实践基础，为降低BMP用量、提高使用效果提供新思路，同时为其它生长因子的活性调控提供借鉴。

维持和调控骨形态发生蛋白（BMP-2）的微观结构和成骨活性是提高其临床使用效果、降低使用剂量的有效手段。阳离子对蛋白的微观结构和活性有显著的影响。本研究以临床常用钙磷基骨修复材料中溶出的钙、镁、硅、锶等典型阳离子为研究对象，从细胞分子水平系统地研究不同阳离子影响对BMP-2诱骨活性的基本规律及相关机制。研究发现：①钙离子，低浓度的Ca2+(0.18 mM)可提高BMP-2诱导成骨分化的活性，而高钙离子浓度(18.0 mM) 则与BMP-2形成Ca-BMP-2的络合物，导致蛋白中的β-折叠和β-转角含量大大增加，进而通过抑制BMP-2与其受体的结合以及降低Smad1/5/8和p38丝裂原活化蛋白激酶蛋白两种信号通路传导从而降低BMP-2的成骨活性； ②镁离子，在实验浓度 (0~8.0 mM) 范围内，镁离子对rhBMP-2的活性无显著影响；③锶离子，锶离子（0.05 mM和1.00 mM）可迅速与BMP-2络合，抑制BMP-2与其细胞表面受体的结合效率及细胞内Smad信号通路的传导，从而抑制BMP-2体外成骨分化和体内成骨的效果。④ 硅离子，通过将硅酸钙（CS）掺入CPC粉末构建硅酸钙/磷酸钙骨水泥（CSPC）支架，发现CS与rhBMP-2可协同促进体外细胞的成骨分化以及体内骨再生。CSPC溶出的Si离子能够影响rhBMP-2的蛋白二级结构，有利于rhBMP-2与细胞表面受体结合从而刺激细胞向成骨分化。⑤地塞米松和rhBMP-2，壳聚糖/MSNs双载药体系可实现rhBMP-2的活性装载和控释，同时促进地塞米松的细胞转运，实现其细胞内靶点释放，最终从细胞内外协同促进细胞分化和体内成骨。项目执行期间获得国家自然科学二等奖1项及上海市自然科学一等奖1项（均排名第二）， 发表SCI收录论文4篇, 接受2篇，另有2篇SCI文章正在修改和投寄之中，大会特邀/分会报告4次。参与编写《生物医学工程》及《微纳米结构骨修复材料》，培养研究生3名。