锶生物玻璃交联水凝胶调控M2型巨噬细胞及其外泌体分泌促进软骨修复的研究

Chronic inflammation response induced by transplanted cartilage scaffolds restricted their clinical application. According to previous studies, alternatively activated macrophages (M2Ф) play an important role in inhibiting the chronic inflammation response. In our preliminary studies, we found that strontium can not only promote stem cells chondrogenesis but also enhance M2Ф polarization, meanwhile, the exosomes of M2Ф also promote chondrogenesis. Therefore, we assume to incorporate strontium into the scaffold to reduce in vivo chronic inflammation response and promote the regeneration and repair of cartilage. On this basis, we propose to fabricate in situ-forming hydrogels linked by strontium-containing bioactive glass, then the classical Wnt/β-catenin and non-classical Wnt/JNK pathways will be studied to explore the mechanism for strontium on promoting the chondrogenic differentiation of bone marrow derived stem cells. To explore how the strontium incorporated hydrogel modulates M2Ф polarization and its exosome secretion, we will study the mechanism of strontium on promoting M2Ф polarization, screen miRNA from M2Ф-Exosome that can promote chondrogenesis. Finally, the hydrogel will be implanted into cartilage defect rat to study its effects on reducing chronic inflammation reaction and promoting cartilage regeneration. This study will provide new strategies for cartilage repairment.

软骨生物支架材料在体内诱发的慢性炎症反应限制了其在软骨修复中的临床应用。有研究表明，替代活化型巨噬细胞(M2Ф)可以抑制炎症反应。本课题组在前期研究中发现锶离子不仅可以促进干细胞成软骨分化，而且可以促进M2Ф的极化；M2Ф分泌的外泌体有进一步促进软骨分化的作用。因此，我们设想在软骨支架材料中引入锶离子，在减轻材料体内诱发炎症反应的同时促进软骨的修复。在此基础上，本项目提出研制锶生物玻璃交联的原位成型水凝胶，首先研究锶离子在经典Wnt/β-catenin通路和非经典Wnt/JNK通路中对骨髓间充质干细胞成软骨分化的作用和机制。然后研究锶离子促进M2Ф极化的机制，筛选M2Ф外泌体中促软骨分化的miRNA，明确载锶水凝胶调控的M2Ф通过外泌体分泌间接促进软骨再生的机制。最后，将该水凝胶植入软骨缺损的动物模型中，明确其在体内减轻炎症反应、促进软骨缺损修复的能力。该项目将为软骨损伤修复提供新的思路。

有研究表明，通过激活M2巨噬细胞极化抑制炎症，可以促进软骨损伤的修复。本课题组在前期研究中发现锶离子不仅可以促进干细胞成软骨分化，而且可以促进M2巨噬细胞的极化；M2巨噬细胞分泌的外泌体有进一步促进软骨分化的作用。本课题主要研究了五个方面的内容并顺利完成研究任务：（1）阐明锶促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）成软骨分化、M2巨噬细胞极化的作用与机制。（2）明确锶通过促进M2巨噬细胞极化进而促进BMSCs成软骨分化的作用。（3）制备锶生物玻璃交联的可注射原位成型水凝胶软骨支架（SA/SrBG），并证明该支架材料在体内促进软骨修复、抑制炎症反应的作用。（4）阐明M2巨噬细胞外泌体（M2-Exos）调控软骨细胞稳态并促进BMSCs成软骨分化的作用与机制。（5）制备M2-Exos水凝胶软骨支架（SA+M2-Exos），并证明该支架材料在体内促进软骨再生、调控软骨稳态的作用。通过研究我们得出以下结论：（1）含有锶离子的水凝胶浸提液可以促进BMSCs增殖并诱导BMSCs向软骨细胞分化，此作用与HIF-1信号通路的激活相关；含有锶离子的水凝胶浸提液可以促进巨噬细胞M2极化，此作用与巨噬细胞Jak-STAT6信号通路的激活相关。（2）经锶离子处理后极化而来的M2巨噬细胞可以进一步促进BMSCs成软骨分化，该作用可能是通过分泌M2-Exos实现；同时M2-Exos还能够抑制软骨细胞凋亡并促进细胞外基质合成。（3）SA/SrBG水凝胶能够促进膝关节滑膜巨噬细胞的M2极化从而抑制膝关节炎症反应，为软骨修复提供条件。（4）SA+M2-Exos水凝胶可以改善炎症状态下软骨细胞的稳态并促进炎症环境中BMSCs的成软骨分化，此作用通过传递外泌体中的多种蛋白质激活受体细胞的HIF-1信号通路实现。本研究结果表明基于锶或者M2-Exos合成的海藻酸钠水凝胶在软骨修复领域存在一定的应用潜能。