基于中枢功能重塑的生物桥接和纳米发电技术修复前交叉韧带及其对RhoA/ROCK信号的影响研究

It has been shown that the load and stability of articular interface will change after the anterior cruciate ligament (ACL) rupture. Then the knee osteoarthritis will happen. However, even if the ACL is reconstructed, the early degradation of articular cartilage cannot be avoided. The reason might be neuroplasticity following lost mechanoreceptors of the ACL. GAP43 gene, RhoA gene and RhoA/ROCK signal path play a key role in neuroplasticity. However, the mechanism is not clear. Hypothesis is that the thing which can subtitute proprioceptive will benefit to the neuroplasticity. In this project, because bio-scaffold, PRP and nanogenerator may preserve the proprioceptors and improve the sensorimotor function of ACL, the effect of bridge-enhanced ACL repair with nano composites on the biomechanics and histology of ACL will be investigated in rabbits. Following the fMRI to explore the central neuroplasticity, the study about histology, western blot and RT-PCR of central nervous system will be carried out in order to illuminate the regulatory mechanism of GAP43 gene, RhoA gene and RhoA/ROCK signal path with shRNA lentiviral vector. These work will provide insight into the neuroplasticity rule following ACL deficiency and repair and lay the foundation of repair and replacement therapy to proprioception of ACL.

前交叉韧带（ACL）断裂和重建术后过早发生骨性关节炎的原因之一在于本体感觉缺失和中枢重塑。中枢重塑主要与RhoA和生长相关蛋白43（GAP43）基因有关，但机制不详。基于前期研究，课题组认为改善中枢重塑的途径在于本体感觉的修复与替代。故而推测在生物桥接技术尽量保留本体感受器的基础上，柔性纳米发电材料可能部分替代本体感觉传入。本项目拟观察生物桥接和纳米发电材料增强技术对于新西兰大白兔ACL断裂的组织学和生物力学外周修复效应；使用功能核磁共振（fMRI）探究ACL断裂和修复后的中枢重塑规律，根据fMRI结果进行中枢神经的组织学和免疫印迹研究，证明其中枢效应；利用干扰RNA技术制造RhoA基因和GAP43基因沉默模型，在体观察手术对中枢神经RhoA基因和GAP43基因表达的中枢效应，阐明中枢重塑机制。本研究有利于证明本体感觉替代的可行性，阐明ACL相关中枢重塑机制，从而丰富康复理论和工程实践。

背景：前交叉韧带（ACL）断裂和重建术后过早发生骨性关节炎的原因之一在于本体感觉缺失和中枢重塑。中枢重塑主要与RhoA和生长相关蛋白43（GAP43）基因有关，但机制不详。基于前期研究，课题组认为改善中枢重塑的途径在于本体感觉的修复与替代。假说：纳米发电丝线可能部分替代本体感觉传入和调控中枢重塑。.主要研究内容：本项目拟观察纳米发电丝线修复技术对于新西兰大白兔ACL断裂的生物力学外周修复效应；使用功能核磁共振（fMRI）探究ACL断裂和修复后的中枢重塑规律；应用中枢神经的组织学、免疫印迹和RT-PCR技术观察手术对中枢神经RhoA基因和GAP43基因表达的中枢效应。.重要结果和关键数据：新西兰大白兔ACL健康组与纳米发电丝线修复组的最大力和拉伸强度不具备显著差异（P=0.371）；同时，纳米发电丝线修复组的最大力和拉伸强度也高于普通丝线修复组和损伤组（P＜0.05）。右ACL损伤和修复的脑重塑的的关键脑功能区域为顶叶皮层，其直接与扣带皮层和海马体、间接与枕叶皮层构成脑网络，伸膝时则需右梨状皮层和左丘脑区域参与。免疫荧光双标染色显示纳米发电丝线修复组GAP-43和RhoA荧光强度较普通丝线修复组明显增强。Western blot显示：普通丝线修复组GAP-43和RhoA的OD值较损伤组无明显增强，而纳米发电丝线修复组GAP-43和RhoA的OD值较损伤组明显增强（P＜0.05）。RT-PCR并未发现四组脑组织中的RNA表达水平的差别。.科学意义：本研究初步证明纳米发电丝线修复技术替代本体感觉的可行性。纳米发电丝线具有良好的生物力学性能，这是临床应用的前提。ACL相关的脑功能区域和脑网络研究为神经调控治疗的可行性提供初步依据。纳米发电丝线修复技术促进了脑组织GAP-43和RhoA的表达，增强脑功能重塑，奠定了临床应用研究的基石。