调控破骨前体细胞定位迁移和融合的微环境因素与分子机制

Bone remodeling generally begins from bone resorption dominated by osteoclasts near the microdamages. But the process and mechanism that osteoclast precursors migrate to microdamages and differentiate into osteoclasts remains unclear. This project will mimic the micro-environmental factors such as chemical gradient (calcium ions) and mechanical stimulation (fluid shear stress) by using microfluidic technology, under which the dynamic migration and molecular mechanism of osteoclast precursors will be studied. In addition, the effect of microdamages' topography on cellular migration and aggregation will be studied by establishing a substrate with lacunae patterns with different scales. After culturing osteoclast precursors on the substrates with different stiffness and morphologies, the effect of cell-substrate interaction, cell-cell connection and cytoskeleton on cell fusion will be investigated. This study will give insight into the cellular/molecular mechanisms of bone remodeling and lay a foundation for the applications in the fields of tissue engineering and regenerative medicine.

骨的结构重建通常开始于由破骨细胞主导的微损伤处的骨吸收，但破骨前体细胞定位迁移到微损伤处并分化为破骨细胞的过程和机制目前仍不清楚。本项目将利用微流控方法模拟微损伤周围的化学（钙离子浓度梯度）和力学（流体剪切力）微环境，研究破骨前体细胞的动态迁移规律及其分子调控机制，并利用孔隙阵列表面研究微损伤的拓扑形貌对细胞迁移和聚集的影响；另外，通过微模式化方法得到具有不同刚度和形状的静态粘附基底，研究细胞-基底间、细胞间以及细胞骨架的力学结构和状态与破骨前体细胞融合过程的关系。该项工作将有助于深入理解骨重建的细胞/分子机制并可为组织工程和再生医学领域的实际应用提供研究基础。

骨骼结构的重建过程始于破骨细胞主导的骨吸收，但单核的破骨前体细胞如何到达骨吸收部分并融合分化为多核细胞仍是尚未解决的问题。在此项目中，我们通过有限元模拟发现在类似骨骼微损伤的区域存在流体剪应力的梯度，进而构建了可以施加梯度流体剪应力的细胞加载装置。应用此装置，研究了梯度流体剪应力作用下破骨前体细胞的动态迁移规律及其分子调控机制，发现破骨前体细胞RAW264.7具有独特的感受流体剪应力梯度的能力，并可向低流体剪应力区域迁移。进而，动态液体流动加载及钙响应观察研究发现液体流动通过影响胞内钙离子的分布来调控细胞迁移方向，信号通路包括膜上力敏感离子通道、磷脂酶C和内质网。在梯度流体剪应力场内，破骨前体细胞聚集于低流体剪应力区域，然后融合分化为多核的破骨细胞。我们进而利用微模式化技术构建了圆形和环形的基底表面，接种培养破骨前体细胞后发现细胞融合现象高发于圆形和环形模式的内部区域。应用有限元数值模拟和基底牵拉力实验测量发现此内部区域处于较低的面内应力状态。应用荧光染色观察证明细胞骨架F-actin、细胞-基底间粘附斑蛋白vinculin、细胞间连接蛋白E-cadherin和-catenin都在内部区域低表达，阻断细胞间连接蛋白或钙离子通路后细胞融合的区域依赖现象消失，说明破骨前体细胞单层的力学状态可以影响其融合分化过程。该项目的研究成果将有助于深入理解骨重建过程的细胞/分子机制并可为组织工程和再生医学领域的实际应用提供研究基础。