羟基磷灰石纳米颗粒的细胞摄取及促进骨再生的分子机制

For the purpose of developing bone substitute possessing excellent bioactivity and appropriate mechanical properties, nanosized hydroxyapatite(nano-HAp) have attracted particular attention. However, how nano-HAp affect bone regeneration, mechanisms of underlying such effects and bio-safety of nano-HAp are poorly understood. In this study, we focus on the interactions between nano-HAp particles and cells related to osteogenesis, and examine the uptake processes of nano-HAp particles by cells, the pathways by which nano-HAp particles to enter the cells and detailed kinetics. Moreover, we investigate the intracellular distribution of nano-HAp and the relationship between cells status and uptake dose. Using the co-culture modles, the direct and indirect (cells-mediate) effects of nano-HAp particles on osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells (MSCs)and endothelial cells (ECs) function were explored at molecular levels. Further, a critical step will be the investigation of underlying mechanisms of bone regeneration in the presence of nano-HAp, which would contribute to a clearer understanding of the interactions among nano-HAp, MSCs and ECs. Our work assess the potential application of nano-HAp in hard tissue regeneration, and will provide theoretical basis for the development and application of novel bone substitute.

为了获得具有优良的生物活性和机械性能的人工骨植入材料，研发各种纳米羟基磷灰石材料已成为当今骨修复领域的热点之一。然而，目前对于纳米羟基磷灰石影响骨再生的规律、机理以及生物安全性究竟如何等问题仍不清楚。本项目以羟基磷灰石纳米颗粒与成骨相关细胞的相互作用为切入点，揭示细胞摄取羟基磷灰石纳米颗粒的过程、途径、相关机理及其动力学规律；阐明颗粒在细胞内的主要分布特点、摄取量与细胞功能状态之间的关联性；通过构建共培养模型，从细胞和分子生物学层面研究羟基磷灰石纳米颗粒直接或经细胞介导后对间充质干细胞的成骨分化和内皮细胞功能的影响，阐明其影响骨再生的作用途径及分子机制，解释植入骨缺损部位的纳米羟基磷灰石与间充质干细胞和内皮细胞三者间的相互作用，探讨其应用于骨修复临床的潜能，为推动骨植入材料的发展提供科学依据。

为了获得具有优良的生物活性和机械性能的人工骨植入材料，研发各种纳米羟基磷灰石材料已成为当今骨修复领域的热点之一。然而，目前对于纳米羟基磷灰石影响骨再生的规律、机理以及生物安全性究竟如何等问题仍不清楚。本项目以羟基磷灰石纳米颗粒与成骨相关细胞的相互作用为切入点，采用了两种纳米羟基磷灰石颗粒(20nm, 80nm)和一种微米级的羟基磷灰石颗粒(12μm)，以人脐带来源的间充质干细胞和人脐静脉来源的内皮细胞为体外模型，揭示了细胞摄取羟基磷灰石纳米颗粒的过程、途径及其动力学规律；阐明了颗粒在细胞内的主要分布特点和细胞相容性；通过构建共培养模型,研究了羟基磷灰石纳米颗粒直接或经细胞介导后对间充质干细胞的成骨分化和内皮细胞成血管功能的影响及相关机理。实验结果表明：纳米羟基磷灰石颗粒能够黏附在细胞膜表面，继而进入细胞内，呈簇状或囊泡状分布于细胞质内，不进入细胞核。纳米羟基磷灰石颗粒黏附与摄取的动力学符合随时间变化的函数关系。几种内吞途径同时参与了间充质干细胞和内皮细胞摄取羟基磷灰石颗粒的过程，其中纳米羟基磷灰石颗粒主要通过小窝蛋白和网格蛋白介导的途径进入细胞，而微米级的羟基磷灰石颗粒主要通过大胞饮被内吞。我们还发现：在没有添加任何成骨诱导剂的情况下，纳米羟基磷灰石颗粒促进了间充质干细胞内钙基质的沉积以及成骨基因的表达。出乎意料的是纳米羟基磷灰石颗粒从细胞活力、凋亡、周期、迁移和管成型等方面抑制了内皮细胞的成血管能力，而且这种作用与纳米羟基磷灰石颗粒通过PI3k/AKT/eNOS信号通路抑制了一氧化氮（NO）的表达密切相关，但该效应不是通过血管内皮生长因子（VEGF）介导的。上述结果为阐明纳米羟基磷灰石体内的生物学反应，探讨其应用于骨修复临床的潜能提供了科学依据。