RUNX2在Ca-P生物材料骨诱导过程中的作用机制

As a promising synthetic bone replacement material, calcium phosphate biomaterials (Ca-P) have been extensively used to replace autograft or allograft. In our previous 973 project “The mechanism of tissue induce by biomaterials”, we found that Ca-P biomaterials could not only induce osteoinduction phenomenon in mice, but also up-regulate the expression of runt-related transcription factor 2 (RUNX2). Based on this finding and research frontier, we propose a hypothesis: during the process of osteoinduction induced by Ca-P biomaterials, MSCs surrounded the implanted materials will migrate to materials, and the osteogenesis-related signaling pathway activated by RUNX2 will promote MSCs differentiate into osteoblasts, eventually inducing osteoinduction phenomenon. According to this hypothesis, we will use these technologies: cell culture, stem cell transplantation, flow cytometry, quantitative PCR, PCR array, chromatin immunoprecipitation assay, fluorescence in situ hybridization, immunohistochemistry, etc., to analyze the role of RUNX2 on osteoinduction, which will provide the new experimental evidence for exploration of the mechanism of osteoinduction.

Ca-P生物材料作为一种具有良好前景的生物材料已被广泛应用来代替自体或同种异体骨移植。我们在前期的973计划课题“生物材料组织诱导作用的诱发及机理”研究中发现，Ca-P生物材料不仅可以在小鼠肌肉内诱发骨诱导现象，而且在此过程中转录因子RUNX2的表达明显增加。基于这一新的发现并结合本领域研究前沿，我们提出假说：“Ca-P生物材料骨诱导发生过程中，移植到体内的材料周围的MSCs会归巢到材料中，并在RUNX2的作用下，激活相关成骨信号通路，促使MSCs分化为成骨细胞，进而诱发骨诱导现象。”围绕该假说，我们将结合材料学、分子生物学、细胞生物学等手段，运用细胞培养、干细胞移植、流式细胞仪、荧光定量PCR、PCR array、染色质免疫共沉淀、荧光原位杂交、免疫组织化学等技术，解析RUNX2在骨诱导中的作用，为探索Ca-P生物材料诱导新生骨组织形成的作用机制提供新的实验依据。

骨骼是人体的支撑结构，轻微的骨损伤可由机体自行调节修复，大段骨缺损则难以完全修复，需要进行骨移植。骨移植常用人工合成生物材料作为骨替代材料，磷酸钙（Calcium Phosphate, Ca-P）生物材料就是其中一种代表，其由不同比例的羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HA）和α/β-磷酸三钙（α/β-Tricalcium Phosphate, α/β-TCP）组成，因其具有和骨组织相似的物理化学性质，并具有良好的生物相容性、生物降解性和骨传导能力，所以常被用作骨替代物。Ca-P生物材料能在动物非骨位点诱导异位骨组织形成的现象叫做骨诱导，但其机制还不清楚。本研究以小鼠为模型，结合材料学、分子生物学、细胞生物学等手段，运用细胞培养、干细胞移植、流式细胞仪、荧光定量PCR、RNA转录组测序、染色质免疫共沉淀、荧光原位杂交、免疫组织化学等技术探索Ca-P生物材料在动物体内诱导新生骨组织形成的机制。结果发现，Ca-P生物材料植入小鼠肌肉内后，创伤诱导基质金属蛋白酶、趋化因子等基因表达上调，使间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）归巢到材料中；同时，材料具有蛋白吸附性，会吸附骨形态发生蛋白-2（bone morphogenetic protein, BMP-2）等蛋白到材料中，通过BMP-2/Smads/Runx2信号转导通路，Runx2和成骨细胞特异性顺式作用元件2（osteoblast specific cis-acting element 2, OSE-2）作用后，激活I型胶原、骨钙素、骨涎蛋白和骨桥蛋白等成骨相关基因的表达，促使MSCs分化为成骨细胞，成骨细胞慢慢成熟为骨细胞，形成骨陷窝，启动骨诱导的发生。本研究结果提示可在人工骨移植过程中添加MSCs、BMP-2等因子，促进移植材料快速成骨和与宿主骨的整合。本研究也为Ca-P生物材料更好地应用于临床提供了实验依据。