氧化铈纳米涂层对氧化应激状态下骨修复影响机制研究

Oxidative stress plays an important role in the pathogenesis of osteoporosis, and has adverse effects on the healing of osteoporotic bone fractures. Cerium oxide nanoparticles have significant antioxidation property and unique oxygen storage and release capabilities, which make them suitable for regulating osteoclast and osteoblast functions under oxidative stress condition. In this project, cerium oxide nanopowder is synthesized by chemical precipitation method, and cerium oxide nano-coatings with different Ce3+/Ce4+ ratios are prepared via plasma spraying technology. Based on the model of osteoblast and osteoclast under oxidative stress condition, osteoblast and osteoclast formation, differentiation and intracellular reactive oxygen content and expression of molecular oxygen content related cytokine are assessed by manipulating the Ce3+/Ce4+ ratios of the coatings. The mechanism of the coatings to protect osteoblasts against oxidative stress-induced injury and the inhibitive mechanism on osteoclast activity will be revealed. The influence of coatings on the OPG/RANKL/RANK system is investigated. The molecular mechanism of cerium oxide nano-coatings on bone remodeling will be revealed. The aim of this project is to provide a new strategy for the healing of osteoporotic bone fractures, and also to provide some experimental data and theoretical foundation for bone substitute material designed for osteoporosis.

氧化应激在骨质疏松症的发病机制中起重要作用，对骨质疏松性骨折修复产生不良影响。氧化铈纳米颗粒具有良好抗氧化性以及独特的氧储存与释放能力，可用于调控氧化应激状态下破骨细胞和成骨细胞功能。本项目拟采用化学沉淀法制备氧化铈纳米粉体，采用等离子体喷涂方法制备纳米氧化铈涂层，通过相关工艺因素调控纳米涂层中Ce3+/Ce4+比例；建立成骨细胞与破骨细胞氧化应激模型，评价铈离子价态及Ce3+/Ce4+比例对成骨细胞与破骨细胞生成、分化以及细胞内活性氧含量、与分子氧含量相关的细胞因子表达的影响，揭示涂层对成骨细胞氧化应激损伤的保护机制和对破骨细胞活性的抑制机理；探讨涂层对成骨细胞与破骨细胞之间的纽带OPG/RANKL/RANK系统的影响，揭示涂层影响氧化应激下骨代谢平衡的分子机制。本研究可为骨质疏松性骨折修复部位的抗氧化应激提供一个新的策略，为针对骨质疏松症的骨替代材料设计提供一定的实验数据和理论基础。

过多的活性氧（ROS）引起的氧化应激是骨质疏松症的主要发病机制。氧化应激通过抑制成骨细胞活性，增强破骨细胞分化能力，对骨修复造成不良影响。氧化铈中Ce3+与Ce4+混合价态的共存使其能够催化分解生物体内的过量ROS，可用于调控氧化应激下成骨细胞与破骨细胞功能。本项目对氧化应激状态下的骨修复涂层材料进行了研究，制备了氧化铈涂层、氧化铈掺杂的硅酸钙涂层和氧化铈掺杂的羟基磷灰石涂层，评价了铈离子含量及价态对氧化应激模型下成骨细胞生成、分化以及细胞内活性氧含量、与分子氧含量相关的细胞因子表达的影响，揭示了涂层对成骨细胞氧化应激损伤的保护机制。取得的主要研究成果如下：1.采用等离子喷涂技术制备了不同Ce3+/Ce4+比例的氧化铈涂层，其中A涂层中Ce4+含量约为32.5%，B涂层中Ce4+含量约为78.8%。涂层A与B均对氧化应激状态下BMSCs增殖、分化和矿化具有保护作用，但二者无明显差异。2.氧化铈涂层表面有利于BMSCs 的黏附和铺展，特别是含高Ce4+含量的B涂层。此外，B涂层对BMSCs的增殖与成骨分化均有促进作用，主要通过刺激细胞内BMP/SMAD信号通路，显著增强BMSCs 早期分化和矿化能力。3.钛合金对照组和A涂层表面的RAW264.7均呈M1 型的圆球状形貌，相比之下，B涂层表面的RAW264.7呈M2型的伸展平铺状形貌。与钛合金对照组和A涂层相比，B涂层可明显下调表面RAW264.7细胞内促炎症因子IL-6 和TNF-α基因表达，同时提升抑炎症因子IL-10和IL-1ra 基因表达。4.硅酸钙涂层中掺入氧化铈可增强涂层化学稳定性，并不影响材料在模拟体液中诱导类骨磷灰石形成的能力。氧化铈掺杂硅酸钙涂层能够提高氧化应激模拟状态下前成骨细胞内SOD活性，减少胞内ROS含量，从而减少因氧化应激而引起的细胞凋亡。5.氧化铈掺杂HA涂层可通过刺激细胞内Wnt/β-catenin信号通路，保护BMSCs成骨分化能力免于氧化应激的负面影响。此外，该掺杂涂层能够提高细胞内OPG/RANKL表达，抑制破骨细胞活性。本项目的开展可为骨质疏松性骨折修复部位的抗氧化应激提供一个新的策略，为针对骨质疏松症的骨替代材料设计提供实验数据和理论基础。