光基因技术调控人脐带间充质干细胞成骨分化及修复骨缺损的实验研究

The bone defect is a big problem of orthopaedic surgen due to bone fracture and neoplasms.Bone defect gene therapy can not only strengthen osteogenic differentiation,also sustainable and highly-efficient secrete bone growth factor, which is beneficial to the bone remodeling.But the biosafety of exogenous genes has becoming a common concern. Intracellular calcium adjust osteogenesis signaling pathways includingTGF-beta、WNT and so on ，but mechanisms regulating for osteogenic are unclear. Optogenetics firstly put light sensitive channel or ion pump protein gene into Human umbilical cord mesenchymal stem cells.Then blue-ray (472 nm wavelength) activate one of the light sensitive type channel protein (Channelrhodopsin-2, ChR2) ,conducing the Na + 、Ca2 + ions influx.Another yellow (593 nm wavelength) light activate chlorine ion protein (Halorhodopsin, NphR) , making the Cl- influx and inhibition activity of cell.So using alternate blue or yellow can control Human umbilical cord mesenchymal stem cells osteogenesis activity.Investigate mechanisms regulating for osteogenic about intracellular calcium . Optogenetics never applied to bone repair before.And optogenetics given a new method to study calcium influx and calcium channels.So optogenetics is a safety and controllability method in bone gene therapy.

由于骨折、骨肿瘤等导致骨缺损是困扰骨科医生的一个难题。骨缺损基因治疗是把具有促进成骨作用的基因导入靶细胞，以促进成骨分化和持续高效分泌骨生长因子，利于组织工程化骨组织形成。但是外源基因过度表达存在生物安全性问题。细胞内钙参与TGF-β和WNT等多个成骨信号通路，细胞内钙调节成骨分化的机制仍不明确。通过光遗传学方法将光敏感型通道蛋白(ChR2) 基因转入人脐带间充质干细胞，蓝光（472nm 波长）激活后可开放细胞膜表面钙离子通道，使Ca2+等阳离子进入细胞内，另一种氯离子蛋白(NphR)基因可被黄光（593nm波长）激活，使Cl- 进入细胞而抑制细胞活性。通过交替的蓝光或黄光来控制人脐带间充质干细胞成骨活性，并探讨细胞内钙在成骨分化中的作用机制。光遗传学为细胞内钙和钙离子通道研究提供了一种新的研究方法，为骨基因治疗提供一种安全和精确调控的方法。

由于骨折、骨肿瘤等导致骨缺损是困扰骨科医生的一个难题。基因治疗、细胞因子治疗、组织工程骨修复等方法都是骨缺损修复的研究热点。细胞内存在TGF-β、WNT 等多个成骨信号通路，这些信号通路是否存在交叉作用仍不明确。通过光遗传学方法将光敏感型通道蛋白(ChR2) 基因转入人脐带间充质干细胞，蓝光（472nm 波长）激活后可开放细胞膜表面钙离子通道，使Ca2+等阳离子进入细胞内，并探讨细胞内钙在成骨分化中的作用机制。人脐带间充质干细胞体外通过620nm波长脉冲光照后，经过ALP染色、骨钙素pcr检测，发现ALP染色增加、骨钙素mRNA表达增加，说明620nm脉冲光照也可促进成骨分化，并且国内外研究发现光照促进成骨可能与ROS等信号通路有关。本研究通过多个因素诱导成骨均取得良好结果，说明成骨分化可能是存在多个信号通路调节。成骨分化及骨修复是一个涉及多信号通路的复杂过程。