基质硬度调控脂肪干细胞分化的表观遗传学机制与骨软骨复合组织重建

Current strategy to restore osteochondral defect is the combination of exogenous biomaterials and stem cells. Our previous studies have found that proper extracellular matrix stiffness can modulate chondrocyte phenotype, osteoblast function and lineage specifications of stem cells. However, whether epigenetic modifications are involved in matrix stiffness-induced osteogenic and chondrogenic differentiation of adipose-derived stem cells, remains unclear. Therefore, this project establishes a three-dimensional dextran hydrogel with gradient stiffness which mimics the surrounding microenvironment of osteoblasts and chondrocytes, aims to figure out its regulatory role and underlying mechanisms on stem cell differentiation. Meanwhile, after the detection of abnormal histone demethylation by DNA microarray, Lentivirus transfection, RNA interference and chromatin immunoprecipitation are used to analyze its function during stiffness-induced differentiation. Then, the modified ASCs and dextran hydrogel with gradient stiffness are tested to restore osteochondral defect. This project will uncover the detailed mechanism and application potential of matrix stiffness and histone demethylase in osteochondral reconstruction.

使用生物仿生材料复合干细胞技术是骨软骨缺损的主要修复方式。课题组前期研究发现，适宜的细胞外基质硬度有利于软骨细胞表型的维持、成骨细胞功能的表达以及干细胞的定向分化。然而，表观修饰层面的组蛋白去甲基化酶是否介导基质硬度诱导的脂肪干细胞（ASCs）成骨和成软骨向分化尚不清楚。因此，本项目通过构建不同硬度的葡聚糖水凝胶，还原软骨和软骨下骨细胞外基质硬度，探究基质硬度对ASCs成骨和成软骨向分化的调控作用。同时，采用基因芯片技术筛选在硬度诱导分化过程中表达异常的组蛋白去甲基化酶，通过慢病毒转染、RNA干扰和染色质免疫共沉淀等技术分析其在诱导分化过程中的功能和作用机制。在此基础上，将修饰后的ASCs与模拟软骨和软骨下骨微环境的梯度硬度水凝胶复合后，植入大鼠骨软骨缺损动物模型，探究基质硬度和组蛋白去甲基化酶在骨软骨复合组织修复中的调控机制和应用潜能，为实现骨软骨结构、形态和功能的重建提出新的思路。

使用生物仿生材料复合干细胞技术是骨软骨缺损的主要修复方式。课题组前期研究发现，适宜的细胞外基质硬度有利于软骨细胞表型的维持、成骨细胞功能的表达以及干细胞的定向分化。本课题通过筛选发现表观修饰层面的组蛋白去甲基化酶KDM3B在基质硬度诱导的大鼠脂肪来源基质干细胞（ASCs）成骨向分化中起正向调控作用，其作用机制与线粒体功能密切相关。JMJD1C介导ASCs成软骨向分化，与金属基质蛋白酶的表达相关。结果提示组蛋白去甲基化酶相关小分子KDM3B和JMJD1C可作为细胞基质硬度调控干细胞成骨和成软骨分化的靶点，以期为骨和软骨再生提供新的思路。.项目按计划进行并完成预期任务。发表标注本基金资助的第一作者（含并列）及通讯作者SCI论著5篇，中文论著3篇，包括Nature子刊Nature Protocols、材料学顶级期刊Advanced Materials等。参编英文专著《Advances in Nanomaterials based Cell Biology Research》，及中文《口腔细胞实验操作技术》各1部。作为第二完成人获2020年中华口腔医学会科技二等奖，作为第三完成人获2019年华夏医学科技奖三等奖及2019年中华医学科技奖三等奖。指导口腔医学专业本科生申报并完成大学生创新创业项目3项。协助课题组指导2名硕士研究生及5名博士研究生毕业。.