温敏纳米水凝胶对退变椎间盘微环境的调控及其对干细胞主导的生物学修复的协同作用

近年来椎间盘退变的生物学修复研究取得了一定进展，干细胞被广泛应用于该类研究，但体内外实验的结果存在较大差距。我们认为退变椎间盘内的酸性微环境是阻碍干细胞移植修复策略在体内研究中起效的瓶颈，它可能成为将来对椎间盘退行性疾病进行治疗干预的关键靶点，然而以往的研究在这方面鲜有深入探索。人的退变椎间盘内pH值往往低于6.5，而干细胞在pH值低于6.7的环境中活性和合成能力就会明显下降，在本课题组前期创建的大鼠椎间盘退变模型中pH值也低于6.7。在前期研究中，本课题组新合成了一种温敏可降解纳米水凝胶，该材料不但可以在注入体内后实现液胶转换，而且可调控周围环境的pH值。本课题旨在开发一种辅助稳定椎间盘微环境的新型水凝胶材料，评估该材料复合转染TGF-β3基因的大鼠脂肪干细胞对大鼠椎间盘退变的修复效果，验证我们通过调节椎间盘内pH值来改善修复效果的科学假设，从而为探索椎间盘退变的生物学修复提供新的思路。

近年来椎间盘退变的生物学修复研究取得了一定进展，干细胞被广泛应用于该类研究，但体内外实验的结果存在较大差距。人的退变椎间盘内pH 值往往低于6.5，而干细胞在pH 值低于6.7 的环境中活性和合成能力就会明显下降，在本课题组前期创建的大鼠椎间盘退变模型中pH 值也低于6.7。本研究以SD大鼠脂肪干细胞(Adipose-derived stem cells，ADSCs)、SD大鼠椎间盘和新型可降解Mg+PNIPA+MAS-S温敏纳米水凝胶为研究对象，通过构建共转染TGF-β3和GFP基因的大鼠ADSCs；优化纳米水凝胶中各组分比例，制作出适合大鼠自体ADSCs体内移植的水凝胶体系；实现该材料体系复合上述自体ADSCs对退变椎间盘进行细针经皮注射治疗，进而从基因与蛋白表达、细胞与组织、结构与功能改善等不同水平评估其修复效果。本研究获得的SD ADSCs分离培养方法简单易行，干细胞体外扩增迅速，流式细胞术提示纯度较高，而且扩增后仍保留分化潜能，是一种理想的组织工程种子细胞。转染后获得的SD TGF-β3/ADSCs和SD GFP/ADSCs细胞系的流式和三系分化结果提示它们依然保持间充质干细胞的特征，完全可以用作组织工程的种子细胞。本研究构建的Mg+PNIPA+MAS-S纳米材料具有良好的生物相容性同时具有调节微环境pH值的特性。Mg+PNIPA+MAS-S纳米材料复合转染TGF-β3基因的脂肪干细胞体内外均具有良好的生物学活性及功能，并具有良好的退变椎间盘的修复效果。结合本研究结果，我们认为退变椎间盘内的酸性微环境是阻碍干细胞移植修复策略在体内研究中起效的瓶颈，改善酸性微环境能够提高椎间盘生物学修复效果，探索新型生物材料对退变椎间盘微环境的调控及其对干细胞主导的生物学修复的协同作用具有较高的科学意义和应用价值。