力学刺激介导局部微环境对干细胞的调节及其在骨腱界面损伤修复中的作用研究

Bone-tendon interface (BTI) healing is a serious and urgent problem in sports medicine. Our previous studies demonstrated that mechanical stimulation could influence the BTI healing by regulating the biological behaviors of BMSCs involved in fibrocartilage regeneration, whereas its underlying mechanism is not fully understood. The rotator cuff injury model with lineage traced BMSCs transonic mice will be utilized to explore the role of mechanical stimulation on macrophage polarization and biological behaviors of BMSCs during BTI healing. Then, the effects of TGF-β1 and NPY secreted by polarized macrophages under mechanical stimulation on BMSCs will be investigated both in vitro and vivo by macrophage supernatant-BMSCs co-culture system. In addition, the project will determine whether TGF-β1 and NPY can bind to its ciliary receptor (TGF-β RII and NPY 2R) on BMSCs to active the downstream TGF-β/Ihh signaling pathway, and then regulate the biological behaviors of BMSCs both in vitro and vivo. In summary, these findings of current project will deeply reveal the regulation mechanisms of microenvironment mediated by mechanical stimulation on BMSCs during BTI healing, and may offer meaningful and reliable research foundations and theoretical basis for exploring new treatment strategies of BTI healing.

骨腱界面损伤修复是运动医学领域亟待解决的难题，课题组前期研究表明，力学刺激通过参与调节纤维软骨层再生的BMSCs生物学行为，影响骨腱界面损伤修复，但其机制不明。本项目拟利用BMSCs标记转基因小鼠肩袖损伤模型，观察力学刺激对骨腱界面巨噬细胞极化、BMSCs微环境及生物学行为的影响；采用巨噬细胞上清液-BMSCs共培养体系，检测分析力学刺激巨噬细胞极化微环境中TGF-β1和NPY对BMSCs生物学行为影响，并在体阐释其功能；进一步检测BMSCs表面初级纤毛TGF-βRII与NPY2R受体和TGF-β、Ihh信号通路活化情况，揭示干细胞初级纤毛因感知TGF-β1和NPY变化进而影响其生物学行为的机制，并在体验证其功能。通过上述研究将深入揭示力学刺激巨噬细胞极化介导局部微环境变化对干细胞调节机制及其在骨腱界面纤维软骨层再生中的作用，为探索骨腱界面损伤新的治疗思路及优化临床治疗方案提供理论依据。

力学刺激是调控骨腱界面损伤修复的关键因素。本项目从骨腱界面再生微环境入手，重点阐明微环境变化对干细胞生物功能的影响：1）利用动物模型探讨了最有利于肩袖骨腱界面损伤修复的力学刺激参数（最佳运动强度、最佳起始时间、最佳持续时间），为临床制定肩袖损伤的科学运动康复方案提供实验室依据；2）采用上海同步辐射光源建立了骨腱界面三维微观结构、基质成分和元素分布的多维评估体系，精确评价不同力学刺激干预下的骨腱界面愈合质量；3）解码了以巨噬细胞为中心的骨腱界面损伤修复炎症微环境，发现力学刺激能够促进巨噬细胞M2型极化、释放TGF-β1和外泌体miRNA，增强干细胞的迁移和成软骨分化能力；明确经力学刺激干预的巨噬细胞通过分泌细胞因子VEGF-C和VEGF-D，作用于淋巴管内皮细胞并提高损伤区淋巴引流能力；4）发现过度的力学刺激会增加损伤区交感神经递质NPY的表达，而NPY通过下调Wnt/β-Catenin信号通路，降低干细胞的成骨/成软骨分化能力，延缓骨腱界面损伤修复；5）绘制了骨腱界面发育细胞图谱，揭示骨腱发育的关键细胞（Prx1+干细胞）能够在力学刺激的作用下，通过纤毛感受力学刺激、提高自身对TGF-β1的敏感性，激活自身并参与再生修复的分子机制；6）鉴定骨腱界面力学响应干祖细胞，探讨不同运动康复方案对骨腱界面内源性再生的影响；靶向Piezo1信号通路，提升力学响应干祖细胞的内在活性，为不同的运动康复需求提供力学刺激强化方案；7）明确骨腱界面特异的中枢-外周调控路径，为骨腱界面损伤修复中存在的中枢-外周调控机制提供理论依据和新型干预方法；8）基于骨腱界面结构解析和力学调控机制的新发现，研发了一系列治疗骨腱界面损伤的组织工程移植物，为临床上治疗骨腱界面损伤提供理想的治疗策略。.在该项目经费支持下，指导高级访问学者1人，出站博士后2名，培养博士生11名、硕士生10名。发表SCI论文29篇（其中JCR 1区16篇，IF>10分 4篇）。授权国家发明专利5项。参与相关领域国内外重要学术会议10余次。