尿源性干细胞的外泌体复合光致亚胺交联水凝胶修复骨不连的作用与机制

The treatment of fracture nonunion is a difficult clinical problem. Recent studies have demonstrated that stem cell transplantation therapy could promote bone regeneration, which may provide new prospects for the treatment of nonunion. Our previous studies indicated that urine-derived stem cells (USCs) could promote bone regeneration; further studies showed that transplanting exosomes secreted by stem cells could play a similar role like directly transplanting stem cells. However, in order to make stem cells or exosomes stay around the fracture site promoting bone repair, we need to develop an ideal biological carrier. Recently we developed a new phototriggered-imine-crosslink hydrogel, which have an excellent tissue adhesion property. Our preliminary experiment indicated that USC-Exos composited with phototriggered-imine-crosslink hydrogel (USC-Exos-piGEL) could effectively prevent the occurrence of nonunion and further experiment indicated that it may activate Wnt/β-catenin pathway to promote bone repair by delivering some special microRNAs. This study intends to construct a USC-Exos-piGEL which could adhere to bone tissue. Then we will observe its repairing effect of nonunion and clarify its specific molecular mechanisms of promoting bone regeneration. The implementation of this project is of great value for the establishment of a new stem cell technology for repairing nonunion.

骨不连的治疗一直是困扰临床的难题。近年研究表明干细胞移植可促进骨组织再生，为骨不连的治疗带来新的曙光。我们的前期研究表明尿源性干细胞（USCs）具有优越的促进骨再生功能；进一步的研究表明移植干细胞分泌的外泌体可发挥类似干细胞样作用。但是，要让干细胞/外泌体停留在骨折断端周围发挥促修复作用，迫切需要研发一种理想的生物载体。本课题组新研发的光致亚胺交联水凝胶具备优越的组织粘附性能，预实验发现USCs来源的外泌体复合光致亚胺交联水凝胶(USC-Exos-piGEL)可有效防止骨不连的发生，进一步的实验提示其可能是通过传递特异miRNAs激活Wnt/β-catenin信号通路发挥骨修复功能。据此，本课题拟构建能粘附于断端骨组织的USC-Exos-piGEL，体内外实验观察其促进骨不连修复的效果，阐明其促进骨再生的具体分子机制。该项目的顺利实施，对于建立应用干细胞修复骨不连的新技术策略具有重要意义。

尿液源性干细胞（USC），是从人体尿液中分离得到的干细胞，取材无创、方便易得，具有强大的组织修复的潜能。 尿液源性干细胞来源的外泌体（USC-Exos）是由USC分泌的细胞外囊泡，内含多种生物活性成分，同样具有多种组织修复能力，同时也避免了应用干细胞的伦理、致畸等风险。本研究通过成熟的方法分离、纯化了USC-Exos，将其应用于两个临床治疗难题——骨不连修复和老年压疮伤口愈合，探索USC-Exos的生物学功能。.骨不连是创伤骨科中困扰临床的并发症之一。研究表明，骨不连的难治性与局部血管供应不足有关。本研究中，我们构建了大鼠股骨骨不连动物模型，借助亚胺水凝胶（PIC）将USC-Exos用于骨不连处，通过影像学、组织学等多种方法证明了USC-Exos能加速骨不连的修复，血管灌注CT重建的方法证实骨不连周围血管再生增加。在体外实验中，我们验证了USC-Exos对人脐静脉内皮细胞（HuVEC）具有促进增殖、迁移、成管的能力。本研究证实，USC-Exos能通过促进局部血管再生加快骨不连的修复。.老年压疮伤口的愈合是临床上持续存在的治疗难题，研究表明，老年患者皮肤伤口修复缓慢与衰老细胞的积累和伤口部位“衰老相关分泌表型”（SASP）的分泌增加有关。本研究中，我们通过局部注射d-gal的方法构建了小鼠衰老动物模型，通过局部压力刺激构建了压疮伤口模型，借助人类脱细胞羊膜（HAAM）搭载USC-Exos应用于伤口局部，结果表明USC-Exos可通过改善细胞衰老和减少老年皮肤伤口中SASP的分泌来有效地促进伤口愈合。为了阐明其机理，我们将USC-Exos用于体外培养人皮肤成纤维细胞（HDFs），结果表明USC-Exos可以通过逆转衰老的HDFs的衰老表型并活化SASP的分泌而有效地减少衰老的成纤维细胞，其抗衰老过程与USC-Exos激活了Sirt1信号通路有关。因此，USC-Exos可通过改善细胞衰老来有效增强衰老小鼠的伤口愈合。.通过从两个角度探究USC-Exos的生物学功能，我们发现USC-Exos具有强大的促进组织再生能力。随着组织工程研究的不断深入，外泌体代替干细胞治疗的优势逐渐凸显，本研究为外泌体的临床治疗提供了新的思路。