多肽仿生BCP陶瓷调控巨噬细胞-MSCs相互作用和骨再生过程的体内研究

Bone defect is a kind of skeletal disease that seriously affects human health, and it remains a challenge to clinical repair. CaP ceramics, which have excellent osteoinductivity, are widely used in repair. Although the mechanism is advancing, the research of how Ca-P ceramics affect the cell-cell interactions in vivo and how to effectively utilize them to enhance the osteoinductivity remain elusive. Therefore, peptides are used to modify the Ca-P ceramics and animal models which suitable for molecular level research are sacrificed to research the role of them in the bone formation process from the perspective of interactions between macrophages-MSCs. Firstly, the distributions and phenotypic switch of macrophages and MSCs are supervised in real time during the materials-induced bone regeneration. Furthermore, laser micro-dissection system is used to detach the pure cell population and then analyze the expression profiles of key molecules in target cells in vivo. Through above studies, this research dedicated to establish a peptides modulated interaction network between macrophages and MSCs, and reveal the role of this interaction in the material-induced bone formation and the hidden mechanism. It not only provides the basis of in vivo research for the perfection of bone induction theory, but also provides new ideas and methods for the design of tissue induced biomaterials.

骨缺损是一种严重影响人类健康的骨骼疾病，大面积骨缺损的修复是临床面临的一大难题。CaP陶瓷由于良好的骨诱导性，已被广泛用于缺损修复领域，其机理研究也在持续进行。然而，有关CaP陶瓷究竟如何影响细胞间相互作用以及如何有效利用该作用对材料骨诱导性进行提升的体内研究却未深入。本项目拟设计一类多肽修饰的BCP仿生陶瓷，并且构建适合分子水平研究的动物模型，以多肽仿生层参与调控的巨噬细胞-MSCs相互作用为视角，研究其在材料诱导成骨过程中发挥的作用。首先，通过实时监测体内成骨过程中巨噬细胞和MSCs的空间分布和表型演变规律；随后，借助单细胞显微切割技术分离纯的靶细胞群，并对其关键信号分子表达作进一步分析。最终建立多肽仿生层参与调控的巨噬细胞-MSCs相互作用网络关系，并揭示该相互作用在材料诱导成骨中发挥的功能和作用机制，为完善骨诱导理论提供体内研究基础，也为组织诱导性材料的设计提供新思路和新方法。

多孔磷酸钙陶瓷的骨诱导性已被广泛证实，但其作用机制尚未清晰。近年来，大量研究表明，材料引发的炎性反应在其诱导骨再生过程中起重要作用。本项目以磷酸钙陶瓷为研究对象，采用气体发泡法结合水热处理构建了不同表面结构的多孔陶瓷，通过体内外实验探究其骨诱导性及骨形成过程中巨噬细胞对MSCs的调控作用。研究结果表明，通过控制烧结工艺和水热反应条件，可有效制备不同表面微结构的多孔磷酸钙陶瓷。体内研究发现，陶瓷表面的纳米晶须结构大幅度增强了骨形成能力，且植入2个月后，材料与宿主界面并没有明显的巨噬细胞聚集；体外实验发现，晶须增韧多孔陶瓷对巨噬细胞M1型标志基因的表达均有上调，对M2型标志基因表达没有明显改变，说明该结构更倾向于促使巨噬细胞极化为M1型。进一步研究发现，晶须增韧陶瓷对促炎因子TNF-α的上调作用非常突出。通过信号通路阻断实验可知，材料刺激下，巨噬细胞来源的TNF-α对于MSCs的成骨分化调控具有剂量依赖性。高浓度TNF-α可通过启动NF-κB信号通路抑制MSCs成骨，而低浓度TNF-α促进MSCs成骨分化且不依赖于NF-κB信号通路。由此推论，多孔磷酸钙陶瓷诱导骨再生过程中，由巨噬细胞参与的炎症反应对MSCs成骨分化起决定性作用。该研究结果也初步揭示了材料引发的炎症反应在其诱导骨形成过程中的作用机制。