力-化学耦合诱导功能性肌腱替代组织的三维构建及其修复功能评价

It is an ideal therapeutic strategy to develop a functional tendon replacement tissue for damaged tendon repair in clinic through regenerative medicine technology, however, the synergistic roles of mechano-chemical factors and the involved mechanisms in tendon tissue repair and regeneration are not fully understood. In this study, using multidisciplinary technology such as biomechanics, biomaterials, cell biology and regenerative medicine, we will set up a three-dimensional (3D) culture system based on rat bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BMSCs) and type I collagen sponge scaffold. Then, the BMSCs in 3D culture system will be induced to differentiate into tenocytes by the coupled mechanical (cyclic stretching) and chemical factors (IGF-I/TGF-β1) to construct a functional tendon replacement tissue. Moreover, we will further set up a animal model of rat Achilles tendon defects to investigate the related characteristic parameters of the tendon replacement tissue and to evaluate its repair function for injured tendon in vitro and in vivo from biomechanics and histology. This study aims to disclose the crucial role of the coupled induction by mechano-chemical stimulations in the tissue repair and regeneration of tendon, and clarify their collaborative control mechanisms. The results from this study will provide key experimental foundation and methodology reference for better therapeutic strategies for injured tendon in clinic, and will have important leading significance and effective promoting roles in developing regenerative medicine strategy to repair damaged tendon and other soft tissues.

利用再生医学技术构建功能性肌腱替代组织修复损伤肌腱是解决临床上损伤肌腱修复难题的理想策略，但目前人们对于肌腱修复再生研究中力学-化学信号的综合调控作用及其机制还缺乏系统认识。本项目整合生物力学、细胞生物学、生物材料学和再生医学等方法和技术，利用大鼠骨髓间充质干细胞（BMSCs）和胶原海绵支架材料构建可进行力学-化学耦合加载的细胞三维培养体系，采用力（机械拉伸）-化学（IGF-I/TGF-β1）耦合诱导BMSCs向肌腱细胞定向分化，构建功能性肌腱替代组织，并进一步建立大鼠肌腱损伤模型，从生物力学和组织学角度对其相关特性和修复功能进行定量描述和体内外系统评价，揭示力学-化学耦合诱导在肌腱组织修复、再生中的关键作用，阐明其综合调控规律和机制。项目研究结果不仅为临床上损伤肌腱的更好治疗提供实验依据和方法学参考，而且对利用再生医学技术进行损伤肌腱及相关软组织修复具有重要的指导意义和推动作用。

利用再生医学技术构建功能性肌腱替代组织修复损伤肌腱是解决临床上损伤肌腱修复难题的理想策略，但目前人们对于肌腱修复再生研究中力学-化学信号的综合调控作用及其机制还缺乏系统认识。本项目整合生物力学、细胞生物学、生物材料学和再生医学等方法和技术，利用大鼠骨髓间充质干细胞（BMSCs）和胶原海绵支架材料构建了可进行力学-化学耦合加载的细胞三维培养体系，采用力（机械拉伸）-化学（IGF-I/TGF-β1）耦合诱导BMSCs向肌腱细胞定向分化，构建了功能性肌腱替代组织，并进一步建立大鼠肌腱损伤模型，从生物力学和组织学角度对其相关特性和修复功能进行了定量描述和体内外系统评价。结果发现，周期性机械拉伸与转化生长因子β1（TGF-β1）耦合诱导不仅可以增加3D培养BMSCs活力，还可以协同促进3D培养BMSCs成肌腱细胞分化。同时，力-化学耦合作用可以通过降低材料的孔隙率增加复合物的刚度。此外，在体实验研究证明，力-化学耦合诱导构建的功能性肌腱替代组织移植物可以通过增加肌腱功能指数、加速组织结构重塑、提高修复肌腱的形态学和组织学评分、增强修复肌腱的力学强度等，最终促进大鼠损伤肌腱的修复。这些研究结果表明，力-化学耦合作用可以作为一种有效的手段进行功能性肌腱替代组织的体外构建。该研究结果阐明了肌腱组织修复、再生研究中力-化学信号的综合调控机制及作用规律，不仅为临床上损伤肌腱的更好治疗提供了实验依据和方法学参考，而且对利用再生医学技术进行损伤肌腱/韧带等相关软组织的修复具有重要的指导意义和推动作用。