锶调控脂肪干细胞成骨－成脂分化的表观遗传机制与激素性股骨头坏死修复

Avascular necrosis of femoral head resulted from administration of glucocorticoid remains a great challenge in clinic.The basic pathological propety of femoral head necrosis is a consequecy of decrease osteogenic differentiation in accompany with accelerated adipogeneis of bone marrow mesenchymal stem cells. Preadipogenic factor-1 (Pref-1) has been identified as one major gatekeeper in blocking differentiation of preadipocyte into mature adipocyte. Recent studies reported that strontium in bone tissue contributes greatly to the homeostesis in bone remodeling by improve osteogenesis. We found recently that adipogenesis of adipose stem cells(ASCs) was markedly inhibited with addition of strontium, which stimulated increased expression of Pref-1 in ASCs.Furthermore, we have identified several differentially expressed microRNA in ASCs stimulated with strontium. Thus, we will further investigate epigenetic mechanism in respone of ASCs to stimulation of strontium.Moreover, we will construct ASCs loaded engineered bone using porous microspheres containing stontium as injectable scaffold for repairment of necrotic bone tissue in femoral head.

激素导致的缺血性股骨头坏死是常见难治性疾病,基本病理变化是骨髓MSCs异常成脂增强、成骨分化减弱。前脂肪因子（Pref-1）是抑制脂肪细胞分化的关键因子，锶是骨骼系统的重要微量元素。两者均可维持干细胞的成骨前分化状态，促进成骨分化。但锶是否可抑制脂肪干细胞(ASCs)成脂分化、维持成骨及其调控机制，尚不清楚。我们发现，锶明显抑制ASCs成脂分化，刺激Pref-1表达增高，并可诱导数个microRNA差异表达（重点为miR33a）。本项目将深入研究锶对Pref-1表达调控的机制，鉴定关键microRNA。在此基础上，植入可注射的含锶聚谷氨酸微球／脂肪干细胞复合物，以期通过锶的缓释，为ASCs营造人工微环境，抑制成脂分化关键病理改变，维持组织工程骨及对关节软骨的支撑，治疗股骨头坏死。

本项目针对激素导致骨质疏松过程中，骨髓基质干细胞（BMSCs）成骨减弱、成脂增强以及两者平衡破坏的问题，具体研究地塞米松调控成骨-成脂失平衡的表观遗传学机制，并探索锶离子的治疗作用。研究发现：1）地塞米松（10-6M）明显抑制BMSCs 成骨分化能力增强成脂分化功能，在体外模拟了激素导致股骨头坏死中BMSCs的分化失衡；2）糖皮质激素通过H3K4、H3K9甲基化修饰，减弱BMSCs 成骨分化能力并增强成脂分化能力；3）锶通过影响H3K4、H3K9甲基化，逆转糖皮质激素导致的BMSCs成骨-成脂失衡；4）锶对鼠激素导致的骨质疏松模型具有明显的防治作用。5）SANFH模型组来源的BMSCs成骨减弱成脂增强，H3K4、H3K9甲基化水平降低，锶治疗组BMSCs成骨分化能力明显增强，成脂能力减弱及H3K4、H3K9甲基化水平提高。针对锶体内应用引起的细胞毒性问题，我们探索了不同浓度锶对MSCs细胞毒性的影响。我们发现高浓度的锶能促进MSCs细胞的凋亡，这为下一步载锶微球的安全应用奠定了基础。.为了进一步探索可局部抵抗激素导致的BMSCs分化失衡，通过学科交叉与合作研究，制备了具有梯度接枝率和多孔微载体的Sr-HA-PBLG复合纳米颗粒。通过调节纳米复合材料的接枝率，从Sr-HA-PBLG微载体中观察到可良好控制的Sr2+释放。细胞可以在微载体的内部区域渗透和存活，并且Sr2+的释放可以增强ADSC的成骨分化。注射的细胞接种的Sr-HA-PBLG微载体样品在注射后第8周导致体内新的骨样组织形成。这项工作探索了一种新的骨组织工程方法，开发了具有骨诱导能力的可注射微载体来治疗病理性骨缺损的问题。