二甲氧乙二酰甘氨酸对BMSCs治疗股骨头坏死的影响及其作用机制

Osteonecrosis of the femoral head (ONFH) is still a difficult problem in clinic, transplanting BMSCs to treat ONFH and promote bone repair become a research focus in recent years. In our previous study, we found HIF-1α transgenic BMSCs had a better osteogenic ability compared to normal BMSCs, and had a better result in treating rabbit early-stage ONFH. However, the risks of transgenic cells, such as tumorigenesis and reject reaction, should be considered before clinical application. Dimethyloxalylglycine (DMOG) is a cell permeable prolyl-4-hydroxylase inhibitor, can activate the expression of HIF-1α in cells at normal oxygen tension, to avoid the risk of gene transfection. Our previous studies found DMOG could enhance the osteogenic differentiation capacity of BMSCs, and the bone repair ability of BMSCs in the treatment of rat cranial bone defect, and DMOG could improve vascularization of tissue-engineering bone constucted by BMSCs. On the basis of previous work, we try to explore the effect of DMOG on BMSCs in treatment of early-stage osteonecrosis of the femoral head, and its mechanism related to HIF-1α and other genes. This study will offer research basis of DMOG application in bone repair, and provide a new method of treating early-stage osteonecrosis of the femoral head.

股骨头坏死是临床医学治疗的难题，骨髓间充质干细胞（BMSCs）移植治疗股骨头坏死是近年来研究的热点。在以往的研究中，我们发现缺氧诱导因子（HIF-1α）基因转染的BMSCs比正常BMSCs拥有更强的骨修复能力，能更好地治疗股骨头坏死。然而，基因转染的细胞在体内有引起肿瘤、排斥反应的风险，阻碍了它的临床应用。二甲氧乙二酰甘氨酸（DMOG）是一种脯氨酸羟化酶抑制剂，能上调HIF-1α基因在正常细胞中的表达，从而避免基因转染带来的风险。我们前期研究表明DMOG使BMSCs在体外具有更强的成骨分化能力，在鼠的颅骨缺损模型中表现出更强的骨修复能力，且能增加组织工程骨的血管化。在前期工作的基础上，我们将进一步研究DMOG预处理对BMSCs治疗早期激素性股骨头坏死的影响，及HIF-1α等基因参与其中的相关作用机制，为DMOG在骨组织修复中的应用提供研究基础，为临床治疗早期股骨头坏死提供新的思路。

近年来，间充质干细胞（MSCs）被广泛的研究用于促进骨组织修复，而如何增强MSCs的骨组织修复能力具有重要的研究价值。在前期研究中，我们发现通过慢病毒将缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）基因转染入MSCs，可以提高MSCs成骨分化和促血管生成能力，从而增强MSCs的骨组织修复能力。然而，通过慢病毒转染HIF-1α基因，虽然能够使HIF-1α在MSCs内过表达，但有可能引起体内肿瘤或排斥反应，而二甲氧乙二酰甘氨酸（DMOG）能在常氧条件下安全的增强HIF-1α在MSCs的表达。因此本项目尝试使用DMOG增强MSCs的骨组织修复能力，并用其修复股骨头坏死。我们使用不同浓度的DMOG作用于BMSCs，评估DMOG对MSCs增殖、生存能力、成骨分化潜能和成血管潜能的影响，筛选出了最佳的DMOG使用剂量。我们构建了针对HIF-1α的shRNA干扰载体，证实了DMOG对MSCs产生影响的作用机制与HIF-1α信号通路的关系，并使用DMOG处理的MSCs治疗激素性股骨头坏死，进一步探索DMOG对MSCs骨组织修复能力的影响，阐明了其作用机制。通过研究我们发现，DMOG在体外能够剂量依赖性地增强HIF-1α在MSCs中的表达，能显著提高MSCs成骨分化和成血管能力。动物实验显示，使用DMOG处理的MSCs移植治疗股骨头坏死，局部的新生骨体积和骨密度都明显大于单纯MSCs移植组，股骨头坏死部位血管再生也明显增多。这表明DMOG能够在体内增加HIF-1α在MSCs中的表达，并增强其成骨分化和促血管生成能力，从而使其具有更强的骨组织修复能力。本项目顺利完成了原定的实验内容和预期目标。然而，在一些部位的骨组织修复中，尤其是股骨头坏死的修复中，还需要修复物能够提供一定的结构基础和支撑强度。因此，除完成原定的研究计划外，在本项目的支持下，我们还探索了通过镧元素、钆元素和DMOG增强磷酸盐壳聚糖支架的骨组织修复能力。我们发现DMOG、镧元素、钆元素分别能通过HIF-1α途径、Wnt/β-catenin信号通路、Smad/Runx2信号通路增强MSCs和磷酸盐壳聚糖支架的骨组织修复能力。这些研究为骨组织修复，尤其是股骨头坏死的治疗，提供了新的方法和思路，也为组织工程中进一步的骨组织修复研究打下了基础。