可降解纯镁植入螺钉促进缺血性坏死股骨头修复的机理研究

Vascularized bone grafting is an effective method for treating osteonecrosis of the femoral head. The fixation of implanted bone graft with biodegradable magnesium(Mg) screw can not only prevent the graft from slipping or exhibiting a certain degree of displacement postoperatively, but also avoid a secondary removal of the screw. In the previous study, we found that the Mg screw is biocompatible and osteoinductive. It can enhance new bone formation and angiogenesis. However, the mechanism of Mg enhancing repairing of the necrotic femoral head is not clear. The sheep are chosen as the animal model of steroids osteonecrosis of the femoral head. The biodegradable Mg screws are used to fix the vascularized bone grafting. The changes of the necrotic bone tissues of the femoral head is determined by CT and Micro-CT scans. The expressions of vascular endothelial growth factor (VEGF), platelet endothelial cell adhesion molecule-1(PECAM-1), bone morphology protein(BMP-2), proliferation cell nucleus antigen (PCNA)， alkaline phosphatase (ALP), Osterix, and Runt- related transcription factor(RUNX2), are determined by the immunohistochemical method. The high-throughput gene sequencing technology is used to analyze the gene expression and regulation of the tissues around the Mg screw, and to explore the signal pathway enhancing osteogenesis and angiogenesis. The aim of the study is to reveal the mechanism of the necrotic femoral head repairing enhanced by the biodegradable Mg screw, and to provide the theoretical basis for its clinical application.

带血管蒂骨瓣移植是一种有效的股骨头缺血性坏死治疗方法，用可降解纯镁螺钉固定移植的骨瓣既可防止骨瓣移位脱出，又可避免二次手术取出。本课题组在前期临床研究中发现，可降解纯镁螺钉具有良好的生物相容性和骨诱导性，可促进新骨生成和血管新生，但其促进坏死股骨头修复的机理尚未阐明。本研究拟建立羊激素性股骨头坏死模型，用可降解纯镁螺钉固定带血管蒂骨瓣，通过髋关节CT检查、股骨头Micro-CT扫描观察股骨头坏死区骨组织改变；免疫组化技术检测螺钉周围组织促血管生成相关因子（血管内皮生长因子、血小板内皮细胞粘附分子-1）和促骨生成相关因子（骨形成蛋白-2、增殖细胞核抗原、碱性磷酸酶、成骨细胞特异性转录因子和RUNX2）的表达；高通量基因测序技术对螺钉周围组织基因表达与调控进行转录组图谱分析，寻找促成骨及血管新生相关信号通路，揭示可降解纯镁螺钉促进坏死股骨头修复的机理，为可降解纯镁金属的临床应用提供理论依据。

镁基金属由于其自身优良属性（生物相容性及可降解性），具备新一代骨折内固定装置的潜质。我们采用可降解的纯镁螺钉固定带血管蒂骨瓣治疗股骨头坏死，取得了满意的疗效。然而，其促进骨组织修复的机理尚未阐明。此外，由于纯镁螺钉的力学性能使它们与传统内植入金属相比更脆弱。因此，其中一个主要的挑战：将纯镁金属螺钉应用在重要承重部位植入体内。因此，我们在前期工作的基础上，开发了用于股骨颈骨折的高强度镁螺钉，研究镁金属促进骨及血管新生相关信号通路，揭示可降解纯镁螺钉促进骨修复的机理。通过48周的体内随访研究实验。结果表明，这些可降解高纯度镁承重螺钉具有足够的性能机械强度和降解率，使之与骨修复相兼容。此外，螺钉降解过程中骨长入良好，无气腔及气囊出现，股骨头及股骨颈内骨组织及血运得到重建。这为今后可降解高纯度镁负重螺钉的临床转化研究提供了基础。. 通过体外模拟生物可降解镁基金属植入材料促进骨修复的过程，检测镁离子对于成骨细胞成骨、迁移、抗碱性应激的作用，并通过基因沉默瞬态感受器阳离子电压通道7（Transient receptor potential cation channel member 7, TRPM7）的表达，探索TRPM7介导在镁离子促进骨修复过程中的作用。通过设立梯度浓度镁离子处理hFOB1.19成骨细胞系，确定镁离子对成骨以及迁移作用的影响。运用siRNA技术干扰成骨细胞TRPM7基因表达，确定TRPM7基因对镁离子诱导的成骨以及迁移作用的影响。通过细胞毒性实验以及流式细胞仪细胞死亡实验，观察镁离子通过TRPM7介导对成骨细胞碱性应激的保护作用。结果表明：镁离子促进成骨细胞迁移与成骨作用的有效浓度范围为2~10mM；2. 镁离子通过TRPM7基因的表达，诱导成骨细胞向高镁浓度环境进行迁移，并上调成骨细胞中Runx2及ALP的表达量，增强了成骨细胞成骨作用；3. 镁金属降解产生的碱性环境可诱导细胞死亡，但是镁离子可以通过TRPM7基因表达来抵抗由碱性应激所造成的细胞毒性。. 通过转录组分析表明，TGF-β为主的三个关键差异基因所在通路，在镁作用下，表现出显著上调。系列研究也证实：基于细胞表型和基因表达结果，TGF-β1在hFOB1.19人成骨细胞中起到的成骨和趋化作用。本部分研究为生物可降解镁基金属植入物的研究与开发提供了理论基础，拓宽了临床应用。