TiO2纳米管形貌调控成骨细胞分化的β-catenin信号通路的探索研究

研究发现骨植入材料表面纳米形貌影响骨组织形成，但纳米形貌影响细胞功能的分子机制鲜有探索。我们发现TiO2纳米管促进成骨细胞分化，且Wnt信号通路可能参与这一过程。本课题提出Wnt通路的关键信号- - β-catenin在纳米形貌诱导成骨细胞分化中起重要作用，并首次提出TiO2纳米管形貌激活β-catenin信号的两个可能机制：打破Cadherin-β-catenin之间连接释放β-catenin入胞浆；或调节整合素连接酶（ILK）表达，提高胞浆内β-catenin浓度从而激活该信号。本课题在前期研究基础上，将采用细胞和分子生物学方法系统研究，证实该假设，并用体内试验加以验证，从而探明纳米管形貌通过β-catenin信号通路影响成骨细胞分化的具体分子机制，描绘材料表面纳米形貌信号转导入细胞内，调控胞内信号分子变化和调节效应蛋白表达的完整通路。该机制的阐明对指导材料表面设计具有重要指导意义。

纯钛表面微纳米形貌能够更好地模拟人体骨组织和细胞外微环境的结构，前期研究发现含有不同管径TiO2纳米管的微纳米复合梯度形貌对成骨细胞的功能有不同的促进作用，但该形貌特征对细胞调控的具体分子机制尚不清楚。本研究采用酸蚀和阳极氧化的方法，在纯钛表面构建微纳米形貌，以人成骨肉瘤细胞系MG63为研究对象，在全面系统评价了微纳米形貌对成骨细胞生物学行为影响的基础上，采用分子生物学方法，深入研究参与材料形貌调控细胞行为的信号通路途经，以阐明骨植入材料的表面形貌对骨组织形成的影响的生物学机制。本研究的方法及结果不仅为骨植入材料的表面结构的优化设计及基因修饰提供依据以达到提高骨植入材料的骨结合效率的目的，而且将为探明其它材料表面因素如表面化学成分或其它骨植入材料与细胞及组织相互作用的分子机制研究提供参考，从而更加全面指导骨植入材料的表面设计。.主要研究内容及结果如下：.一、.采用课题组前期实验中已建立的纯钛表面微纳米形貌的制备方案，制备含有不同管径TiO2纳米管的微纳米复合梯度形貌，为后续的实验提供研究模型。.二、.评价微纳米形貌对成骨细胞生物学行为的影响。发现微纳米形貌能够促进成骨细胞MG63的成骨分化功能，含有大管径纳米管（100nm）的微纳米形貌对成骨分化的促进作用更加明显.三、. 检测Wnt/-catenin信号通路是否参与材料对细胞行为的影响，评价Wnt/-catenin信号通路在微纳米形貌调控成骨细胞功能中的作用。发现微纳米形貌通过调控Wnt信号通路中Wnt因子的表达，激活Wnt/-catenin信号活性，被激活的Wnt/-catenin信号促进了成骨细胞在材料表面的成骨分化。.四、. 检测整合素连接酶/-catenin（ILK/-catenin）信号通路在微纳米形貌调控成骨细胞生物学行为过程中的作用。发现ILK/-catenin信号通路参与调控微纳米形貌对成骨分化功能的影响，并且发现ILK/ ERK1/2及ILK/p38 MAPK信号通路参与调控微纳米形貌对成骨增殖和分化的影响。.五、. 探讨N-钙粘蛋白(N-cadherin)/β-catenin信号通路在微纳米形貌表面对成骨细胞影响机制。发现微纳米形貌通过对N-cadherin表达的调控影响β-catenin信号通路，实现对小鼠成骨细胞系MC3T3-E1细胞功能的影响。