牙本质基质蛋白1通过Wnt/β-catenin信号通路调控成骨及矿化的机制研究

Dentin matrix protein 1 (DMP1), which highly expresses in bone matrix, is essential for the osteogenesis, bone mineralization, osteoblast differentiation, osteocyte maturation and function. However, the underlying mechanism is largely unknown. Recent studies suggested that DMP1 may function via osteocytic Wnt/β-catenin signaling pathway during bone development and mineralization. To verify this hypothesis, we will: 1) test the expression level of Wnt/β-cateninin signaling in Dmp1-KO osteocytes; 2) down regulate Wnt/β-catenin signaling activity, using the targeted expression of DKK1 (a potent inhibitor of canonical Wnt signaling) in Dmp1-KO bone by crossing Dmp1-KO with 2.3 Col 1-Dkk1 mice, then evaluate the improvement of bone pathological defects, osteocyte immaturation and dysfunction; 3) generate a three-dimensional culture model by seeding osteoblasts in silk gel scaffold, analyze the cell differentiation and proliferation, osteanagenesis volume and quality, as well as the Wnt signaling activity, under various treatment levels of DMP1. This study will not only expand our understanding of how DMP1 regulates bone development and mineralization, but also provide a novel clinical therapy for the targeted treatment of mineral abnormalities and regeneration of bone defects.

牙本质基质蛋白1（DMP1）在骨基质内高表达，对骨组织发育矿化、成骨相关细胞的分化成熟和生物学功能等均有重要作用，但其相关机理至今仍不十分清楚。近期研究提示，DMP1很可能通过影响骨细胞经典Wnt信号通路的活性，实现对成骨矿化的调控。本项目为验证该推论，拟通过模式动物的构建及分析，一方面检测Dmp1敲除后骨细胞Wnt信号通路活性的改变情况；另一方面分析特异性调改Dmp1缺陷骨的Wnt信号通路活性，对骨组织病理发展和骨细胞功能障碍的改善效果。此外，我们还将利用丝蛋白凝胶支架构建成骨细胞的三维培养体系，分别通过体外矿化诱导和体内成骨修复实验，进一步验证不同浓度DMP1与Wnt信号活性、细胞分化矿化能力的相关性，并评价成骨修复效果。本研究不仅将完善我们对DMP1调控成骨矿化机制的认识，还可能为临床骨矿化相关疾病的靶向治疗以及骨缺损的再生修复提供新的线索。

牙本质基质蛋白1（DMP1）在骨基质内高表达，对于成骨及矿化均有重要作用，其基因突变可导致常染色体隐性低磷血性佝偻病 / 骨软化症，然而相关机制至今仍不十分清楚。本课题通过对Dmp1敲除小鼠的系统分析发现，DMP1还可在成熟软骨细胞及软骨下骨中高表达，其功能缺陷可导致骨关节疾病的发生。深入检测证实，Dmp1-KO小鼠骨组织Wnt/β-catenin信号通路活性水平异常升高。此外，采用模式动物手段将Dmp1-KO小鼠和2.3kb Col I-Dkk1转基因小鼠进行杂交，从而获得骨组织过表达DKK1（Wnt信号通路抑制剂）的Dmp1-KO后代。对该目的鼠的系统分析表明，DKK1的骨靶向表达和因此所致的Wnt/β-catenin信号通路的下调，可显著改善Dmp1-KO小鼠佝偻病/骨软化症相关表型。进一步分析发现，DMP1主要通过Wnt/β-catenin 信号通路直接影响成骨细胞/骨细胞的分化及功能，从而对成骨及矿化发挥重要调控作用。基于此，本研究遵循仿生骨细胞外基质的策略，采用介孔硅基泡沫（MCF）作为DMP1的载体（DMP1/MCF），并将DMP1/MCF掺入光聚合明胶水凝胶（Gel），制备仿生复合水凝胶体系（DMP1/MCF/Gel），考察并评估DMP1/MCF/Gel复合光交联水凝胶的成骨作用及骨修复效果。体内外实验证实，DMP1/MCF/Gel复合光交联水凝胶体系不仅在DMP1持续控释和活性维持方面具有明显的优势，还对BMSCs成骨分化以及体内骨再生修复有显著促进作用。本项目的研究，不仅揭示了DMP1的生物学功能及其具体作用机制，还初步探索了DMP1在骨组织工程领域的应用，为临床完善遗传性佝偻病/骨软化症的治疗，骨缺损的再生修复等提供了新的思路与依据。