炎症因子IL-6通过调节BMP受体的表达影响BMP-2诱导骨再生的机制

Bone grafts made by biomaterials and growth factors, such as INFUSE® Bone Graft (BMP-2/ACS), have been approved for clinical use in in specific clinical scenarios to enhance bone regeneration. However, our previous study have proved that the inflammatory environment decreased BMP-2/ACS-induced ectopic bone mass by suppressing BMP-2-induced osteoblastic differentiation and by increasing the number or activity of osteoclasts. Our pilot experiment have found that IL-6 also significantly elevated in the inflammatory environment, however, IL-6 showed a positive effect on BMP-2-induced osteogenic differentiation of BMSCs. Therefore, based on these results, we planning to construct a BMP-2/ACS-induced ectopic bone formation model in rats and elevate the concentration of IL-6 in the rat by IL-6 injection subcutaneously for investigation the role of elevated IL-6 on BMP-2/ACS-induced bone formation. Then, with the key point of BMP-2-mediated BMP/Smad signaling pathway, we going to analysis the role of IL-6 on expression, cell surface translocation, and degradation of BMPRIA, BMPRIB, and BMPRII in BMSCs, and investigate how IL-6 regulate the activation of BMP-2/Smad signaling and the effect on osteogenic differentiation of BMSCs. After this study, we hope the results could help us for understanding the role of inflammatory environment on BMP-2-induced bone regeneration and looking for a new way for improving the osteoinductive efficacy of BMP-2 in vivo.

使用成骨诱导因子BMP-2和可吸收胶原海绵制作的骨移植替代物（BMP-2/ACS）已被批准用于临床促进骨再生，修复骨缺损。然而项目组前期研究证实炎症环境通过抑制骨生成和促进骨吸收的方式抑制BMP-2/ACS诱导的骨再生。虽然IL-6在炎症环境中表达显著增高，但预实验发现IL-6在体外促进BMP-2诱导BMSC成骨分化。因此，为研究IL-6对BMP-2诱导骨再生的影响，本项目拟通过构建BMP-2/ACS诱导大鼠皮下异位成骨的动物模型，并采用IL-6细胞因子注射提高体内IL-6浓度，研究IL-6对BMP-2/ACS诱导骨再生的作用。接着以BMP/Smad通路为切入点，分析IL-6对三个BMP受体表达、转位和降解的影响，探究IL-6如何调控BMP/Smad通路的激活，以及对BMSC成骨分化的影响，进一步阐明IL-6影响BMP-2诱导骨再生的机制，为提高BMP-2体内成骨诱导效率提供新的思路。

使用成骨诱导因子BMP-2和可吸收胶原海绵制作的骨移植替代物（BMP-2/ACS）已被批准用于临床促进骨再生，修复骨缺损。但临床使用的BMP-2的浓度远高于生理条件下BMP-2的浓度，会导致严重的炎症反应。项目组前期研究发现炎症环境通过抑制骨生成和促进骨吸收的方式抑制BMP-2/ACS诱导的骨再生。临床研究还发现IL-6在炎症环境中表达显著增高，但体外实验却发现IL-6在体外促进BMP-2诱导BMSC成骨分化。因此，为研究IL-6对BMP-2诱导骨再生的影响，本项目通过构建BMP-2/ACS诱导大鼠皮下异位成骨的动物模型，并采用IL-6细胞因子皮下注射，研究IL-6对BMP-2/ACS诱导骨再生的作用。提高体内IL-6浓度可显著增加BMP-2/ACS诱导的骨再生骨量，但不促进骨吸收。而且，在体外细胞模型中，IL-6在其可溶性受体sIL-6R的协同下，促进BMP受体BMPRIA从细胞膜内侧向外侧转位和抑制其降解而放大BMP-2介导的Smad/BMP信号通路，从而促进了BMP-2诱导BMSC成骨分化。.在BMP-2的临床应用中发现，高浓度的BMP-2虽然促进了骨质再生，但是在再生的骨质中也发现了大量的脂肪再生的现象。因此，为了探究骨再生与只放在圣共存现象的发生机制，本项目构建BMP-2/ACS诱导大鼠皮下异位成骨的动物模型，并采用IL-6细胞因子皮下注射提高局部IL-6的浓度。研究结果发现，在再生的骨质中，发现了大量的骨空洞，骨空洞中存在大量的脂肪组织。继而，为了证实骨空洞的脂肪组织是否为IL-6浓度增加所导致，IL-6及sIL-6R被添加至BMSC成脂分化诱导培养基中。结果发现，IL-6协同sIL-6R不仅促进BMP-2诱导BMSC成骨分化，也促进BMP-2诱导的成脂分化。继续探究其分子机制发现，IL-6协同sIL-6R促进BMP受体BMPRIA从细胞膜内侧向外侧转位后，一方面放大了BMP/Smad信号通路，促进了BMSC向成骨细胞分化；另一方面，激活了MAPK P38信号通路，促进了BMSC向脂肪前体细胞分化。.本项目通过一系列的研究，继续揭示了临床应用高浓度BMP-2所导致的炎症环境对其诱导骨再生的影响。研究结果可以加深临床医生对BMP-2促进骨再生的理解，对研究如何正确应用BMP-2促进骨再生，避免炎症相关副作用提供了理论基础。