低频电磁场介导磁转染在骨缺损修复中的作用及机制研究

Bone defect has a high rate of disability, which has become a public issue critical to human health. It is a promising method to fabricate bio-active tissue engineered bone graft using magnetofection technique, in order to repair bone defect. In previous study, we found that static magnetic field lead to high transfection rate, improving the differentiation of bone mesenchymal stromal cells (BMSC) in two-dimension experiment. However, both the optimal parameters of electromagnetic field (EMF) for magnetofection and the potential mechanism are still unclear. As we know, signal pathways play an essential role in the regulation of cellular biological activities. We hypothesize that EMF exposure can activate some signal pathways, which will enhance the endocytosis of magnetic nanoparticles carrying genes. In this study, we aim to optimize the EMF parameters for magnetofection. Additionally, magnetofection technique will be introduced to fabricate a bio-active tissue engineered bone graft possessing capillary-like structure and osteogenesis potential by enhancing the differentiation of BMSC seeding in 3-D printed scaffold. The tissue engineered bone graft will be utilized to repair bone defect in animal models as well. Meanwhile, we will screen the signal pathways and enzymes activated by EMF exposure with protein and high-throughput screening assays, and explore of the effect of activated signal pathways and enzymes in endocytosis of magnetic nanoparticles carrying genes, hoping to provide a reliable theoretical basis for magnetofection under EMF with optimal parameters. This study promises to provide an effective treatment technic and method for bone defect patients.

骨缺损因其高致残率，已成为危害人类健康的公共卫生问题。利用磁转染技术构建具有良好生物学活性的组织工程化骨以修复骨缺损有望成为一种理想的治疗方法。我们前期研究发现静态磁场介导可以提高磁转染效率，促进二维培养的骨髓间充质干细胞分化。然而，我们对低频电磁场在磁转染中的最佳参数及作用机制尚不清楚。信号通路在调节细胞生物学活动方面发挥着重要作用，我们推测磁场刺激会激活相关信号通路，促进细胞对载基因纳米磁微粒内吞。本项目拟优化低频电磁场的参数，通过磁转染促进3D打印支架上的干细胞发生分化，构建出兼具微血管结构及成骨矿化活性的组织工程化骨，并用于骨缺损模型修复。同时，我们将使用基因芯片及高通量信号通路筛选技术筛查出电磁场激活的信号通路和酶，并揭示其在干细胞内吞纳米磁微粒活动中的作用，为在分子水平揭示敏感参数电磁场增强磁转染效应奠定基础。本项目的实施有望为骨缺损患者提供一项有效的治疗技术和手段。

磁转染介导的基因传递通过调节细胞分化方向和分化程度显示出巨大的治疗潜力。 腰椎退行性椎间盘疾病是一个严重的全球骨科问题。 然而，尽管椎间融合术是治疗腰椎间盘退行性椎间盘疾病的金标准，但其治疗效果并不理想。 在这里，我们描述了一种新型磁转染系统，用于递送治疗性 miRNA 以促进腰椎退行性椎间盘疾病患者的成骨和血管生成。.电磁场和氧化铁纳米粒子的共同刺激显着提高了磁转染效率。 此外，在体外，将 miR-21 磁转染到骨髓间充质干细胞和人脐带内皮细胞中会影响它们的细胞行为并促进成骨和血管生成。 然后，将经过基因编辑的种子细胞植入聚己内酯 (PCL) 和羟基磷灰石 (HA) 支架（PCL/HA 支架）上，并演变成理想的组织工程骨，以促进椎间融合。 最后，我们的结果表明，电磁场和氧化铁纳米粒子通过激活 p38 MAPK 通路提高转染效率。.我们的研究结果表明，用于将 miR-21 递送至骨髓间充质干细胞和人脐带内皮细胞的磁转染系统促进了体外和体内的成骨和血管生成，并且在电磁场和氧化铁纳米粒子的共同刺激下磁转染转染效率显着提高。 此外，它依赖于 p38 MAPK 通路的激活。 这种磁转染系统可能是一种很有前途的治疗各种骨科疾病的方法。