基于3D打印技术与分子信号网络理论研究刺老苞根皮有效成分群调控骨折愈合作用机制

The studies of clinical observation, osteoblast-osteoclast cell co-culture system in vitro and fracture healing model in vivo confirmed that the active components of Aralia echinocaulis Hand. Mazz can enhance secretion and expression of some correlated cytokines like VEGF,TGF-β,FGF,PDGF,BMPs and ATF4, induce vasculari zation in callus, speed up collagen synthesis and calcareous deposit, improve the quality of callus'biome chanics and bone formation, and promote bone healing. Based on above-mentioned studies, in this project, we will rebulid bone scaffold by 3D printer, then culture osteoblast-osteoclast cell system on it, and transfer into the site of frature in nude mice. We will observe 3D callus' microarchitecture by micro-CT,computational mathematics methods and virtual imaging technology, combined with the preliminary work (the project of National Natural Younger's Foundation) to comprehensive evaluate the repair efficacy of active components of Aralia echinocaulis Hand. Mazz on fracture healing. Meanwhile, we will study by using bone metablished antibody expressional chip how to active components of Aralia echinocaulis Hand. Mazz regulate the expression of Wnt/β-catenin and TGF-β/BMPs coupled network key signaling molecules between different cells during the repair process of fracture healing, and clarified the molecular biology mechanism of bone matrix formation, differentiation of mesenchymal cells (bone induction), chemotaxis, proliferation and differentiation of osteoblast and osteoclast during fracture healing repairing process.

经临床观察、药效物质基础、体外成骨-破骨细胞共培养模型的研究证实：土家族药-刺老苞根皮有效成分群可增强VEGF、TGF-β、FGF、PDGF、BMPs、ATF4 及受体等相关细胞因子的分泌与表达，诱发骨痂血管生成，加快胶原合成与钙盐沉积、提高骨痂生物力学性能，促进骨形成，加快骨愈合进程。基于上述工作基础，本课题旨在利用3D打印技术制作的骨支架为介质进行成骨-破骨复合活性细胞共培养后，植入裸鼠胫骨骨折部位。利用mirco-CT结合计算数学方法与虚拟成像技术在体观测刺老苞根皮有效成分群对骨折愈合中骨痂微结构的病理修复过程，并运用骨代谢抗体定量芯片系统性研究此有效成分群对骨折愈合重建不同细胞间Wnt/β-catenin 与TGF/β-BMPs 分子信号网络因子表达的调控，进而阐明其对骨折愈合修复过程中骨基质的形成、间充质细胞分化诱导（骨诱导）、成骨与破骨细胞的趋化、增殖、分化的分子生物学机制。

经临床观察、药效物质基础、体外成骨-破骨细胞共培养模型的研究证实：土家族药-刺老苞根皮有效成分群可增强 VEGF、TGF-β、FGF、PDGF、BMPs、ATF4 及受体等相关细胞因子的分泌与表达，诱发骨痂血管生成，加快胶原合成与钙盐沉积、提高骨痂生物力学性能，促进骨形成，加快骨愈合进程。基于上述工作基础，利用鼠自体骨粉经3D打印技术合成的支架作为载体介质应用于改良后的胫骨骨折模型，可以作为一种不做内固定的研究药物干预骨折愈合的选择性模型进行使用。从组织病理学角度而言，民族药刺老苞根皮有效成分群可以有效提高骨折部位骨痂骨形态、骨量、骨矿化以及骨密度，改善骨痂力学承载性，缩短骨重建周期，加快骨愈合过程。从细胞学角度而言，基本完成以自体骨合成支架为介质的体外成骨细胞-破骨细胞共培养，更能有效反映出骨折愈合过程中骨重建的真实关联。体外药物血清学试验表明刺老苞根皮有效成分群对不同细胞的增殖与分化有着不同程度的影响。从分子调控机制角度而言，刺老苞根皮有效成分群对骨重建的1541基因有差异性表达影响，P＜0.001的差异表达基因共有24个（上调15个，下调9个），其中包括参与Wnt/β-catenin与TGF/β-BMPs相关的BMP-2、BMP-4、 BMP-7、Osterix、IGF-1、RANKL、OPG、Runx-2、bFGF、ANG、TIMP基因及其蛋白上调与ODF、RANK基因及其蛋白下调，其表明其可能通过不同信号通路起到调控骨折愈合过程中成骨-破骨耦联作用。综合而言，刺老苞根皮有效成分群确实可以通过参与骨重建信号网络基因的调控，进而影响骨痂形成、重塑以及生理功能的恢复，加速骨折的愈合过程。本项目的顺利实施，不仅阐明此类传统民族药对骨折愈合修复过程中骨基质的形成、间充质细胞分化诱导（骨诱导）、成骨与破骨细胞的趋化、增殖、分化的可能分子生物学机制，而且对于土家族传统药刺老苞根皮临床骨伤治疗机制提供重要的理论依据与数据支撑。但值得注意的是由于试验同时涉及不同细胞，彼此之间影响较为复杂，故此其分子机制作用的机理尚需进一步深入研究探讨。