纳米羟基磷灰石复合物通过Bmp信号通路促进斑马鱼骨骼发育的功能与机制研究

Hydroxyapatite(HA) is the major inorganic component of bone and teeth in vertebrates, synthetic nano-hydroxyapatite has became a common biomaterial for bone repair and regeneration as its well-known bioactivity. However, the molecular mechanism of nano- hydroxyapatite in promoting skeletal development remains largely unknown. Recently, we identified firstly and purified the natural nano-hydroxyapatite compound from Agaricus bisporus. Our preliminary studies showed that this compound had demonstrable effect for injured teeth repair in mouse. In zebrafish model, nano-hydroxyapatite compound caused obvious embryonic ventralization at late developmental stage, and greatly increased bmp2b and bmp4 mRNA expression level in neural crest. Since Bmp/Smads signal pathway plays an essential role during osteogenesis, we suppose that nano-hydroxyapatite compound may regulate skeletal development through Bmp signal. In this study, we will furtherly explore molecular mechanisms in the control of Bmp pathway by nano-hydroxyapatite compound, and uncover the novel role of this compound on the skeletal development in zebrafish. These results will provide new insights into the regulation mechanisms of this kind of compound which promotes bone formation during development.

羟基磷灰石是脊椎动物骨骼和牙齿的主要无机成分，人工合成的纳米羟基磷灰石由于其良好的生物活性常被作为生物材料用于骨组织修复。然而其在促进骨骼发育中的作用机理还有待进一步研究。我们从双孢蘑菇中首次发现并提取纯化出天然的纳米羟基磷灰石复合成分，前期的研究结果表明，该复合物能有效修复小鼠的齿骨损伤；斑马鱼中，纳米羟基磷灰石复合物能引起胚胎发育晚期明显的腹部化表型，并使bmp2b、bmp4 mRNA 在背部神经嵴的表达上调。由于Bmp信号通路在斑马鱼骨骼发育过程中具有重要作用，因此我们推测纳米羟基磷灰石复合物可能通过Bmp信号促进骨骼生长。本项目拟进一步分析纳米级羟基磷灰石复合物对斑马鱼骨骼发育的影响；阐明纳米级羟基磷灰石复合物与Bmp信号的相互作用关系和调控机制；探讨纳米级羟基磷灰石复合物通过Bmp信号调控骨骼发育的分子机理。以加深对这类天然小分子化合物在促进骨骼发育中的调控机制的理解。

羟基磷灰石是脊椎动物骨骼和牙齿的主要无机成分，具有良好的生物活性，常被作为生物材料用于骨组织修复。本研究主要以斑马鱼为动物模型，深入研究双孢蘑菇来源的纳米羟基磷灰石复合物（SHA）在斑马鱼骨骼发育和损伤修复中的作用， 探究 SHA 对斑马鱼骨骼发育及骨骼损伤修复的作用机制。. 首先，生理实验结果表明SHA 能促进成鱼尾鳍再生；进一步检测调控骨骼发育关键基因的 mRNA 和蛋白水平，均明显上调，揭示了SHA 在促进骨骼发育具有重要的作用。此外，本研究利用枸橼酸铁铵（Ferric ammonium citrate， FAC），地塞米松（DXM）和泼尼松龙（PDNL）对斑马鱼的幼鱼进行胁迫构建骨质疏松模型，通过软骨和硬骨染色等实验检测进行分析比较，结果表明，SHA 均能很好地拯救三种不同药物诱导引起的骨骼发育缺陷，包括骨矿化面积减少、骨密度下降及软骨缺失等，修复效果优于临床阳性药阿仑膦酸钠和依替膦酸二钠。最后，本研究对 SHA通过Bmp信号通路促进骨骼发育的分子机制进行探索。实验结果显示： SHA 促进Bmp 信号通路的相关基因的mRNA 的表达（如 bmp2b，bmp4）；在表征Bmp信号激活的转基因品系Tg(BRE:GFP)中， SHA能增强GFP的表达水平和增强下游转录因子Smad1/5/9的磷酸化水平，从而上调成骨细胞特异基因（Sp7）的表达，进而促进成骨细胞分化，发挥促进骨骼发育和修复骨骼损伤的功效，并且作用于受体水平之上。 . 综合以上实验结果，本研究揭示了 SHA通过Bmp信号通路调控骨骼发育的作用方式。本研究顺利完成了计划研究任务，取得的成果为进一步开发新型具有促进骨骼发育与修复药效的天然小分子化合物提供可能。