OPN和BSP对骨内植入材料界面巨噬细胞免疫响应的调控

Macrophages play a predominant role in the bone after the titanium implants are inserted. The macrophages of bone-polymer interface constantly exist and fusion in a long term, macrophages in bone-titanium integration interface disappear quickly. After titanium implantation in the bone, a cement line mainly consisted with osteopontin (OPN) and bone sialoprotein (BSP) protein forms first, OPN and BSP protein might mediate macrophages adhesion in titanium surface. Recently in vitro research and pilot trials indicated that OPN and BSP might influence macrophages fusion and survival. Therefore, this project proposes that OPN and BSP are likely to mediate macrophages immune response via their impact on macrophage viability in bone-titanium interface.. This study involves in vivo and in vitro experiments and aims to test these hypotheses. Firstly, OPN and BSP expression in bone-implant interface will be detected in different animal models, while their influence to the spatial and temporal distribution and outcome of macrophages and foreign body giant cells will also be studied. And then the in vitro experiments attempt to observe the impact of OPN and BSP to macrophages phenotype M1/M2, apoptosis, fusion and other biological activity as well as their possible mechanism. As the breakthrough point is that the proteins within the cement line mediate the macrophages immune response in bone-implant interface, this project aims at exploring the immune response mechanism in medical implantation, which will introduce a new design idea for the implant material modification.

骨内种植体植入体内早期反应的主导细胞是巨噬细胞。与聚合物-骨界面的巨噬细胞持续存在与融合不同，钛-骨整合界面早期的巨噬细胞则快速消失。钛植入骨内后先形成OPN和BSP为主的粘合线蛋白层，而OPN和BSP可介导巨噬细胞在钛表面的黏附。近期体外研究和本课题组预实验显示，OPN和BSP可影响巨噬细胞的融合与生存。因此，本项目提出，OPN和BSP很可能通过影响巨噬细胞表型、融合和凋亡，而对钛-骨界面的巨噬细胞免疫响应发挥调控作用。本课题拟从体内和体外实验两种角度来验证假设，首先在不同动物模型中观察OPN和BSP在植入材料界面对巨噬细胞分布和转归的影响。然后在体外细胞学实验中，观察OPN和BSP对巨噬细胞M1/M2表型、凋亡、融合的影响及其可能机制。本项目将粘合线蛋白对巨噬细胞免疫应答的调控作为材料界面研究的新切入点，来探寻生物材料的免疫响应机制，这将为植入材料的改性开辟新的设计思路。

骨内种植体植入机体后，会引发机体的先天免疫反应，巨噬细胞是其界面早期反应的主导细胞。钛种植体植入骨内后会形成骨桥蛋白（OPN）和骨涎蛋白（BSP）为主的蛋白层，那么OPN和BSP很可能对巨噬细胞的生物学活性起调控作用。本项目首先通过动物实验观察了钛和PMMA骨内植入后的早期多核巨细胞的分布和OPN、BSP的界面表达，然后通过细胞学实验观察了OPN对巨噬细胞的不同活性的影响，如不同浓度OPN对巨噬细胞极化的影响，OPN和白介素-4（IL-4）对巨噬细胞M2型极化的影响，OPN和LPS对M1型巨噬细胞极化的影响，OPN对巨噬细胞破骨分化相关因子表达的影响，OPN对巨噬细胞融合活性的影响。还通过体外实验观察了BSP对巨噬细胞的增殖、细胞迁移能力、细胞黏附、细胞融合以及炎症因子的基因表达。研究发现，不同骨内植入材料影响其界面的多核巨细胞的分布和OPN、BSP的表达，随着愈合时间延长，骨界面的多核巨细胞数量呈现下降趋势，7d时OPN和14d时BSP表达达到高峰。不同浓度的OPN可促进巨噬细胞M1型及M2型分子的基因表达，并在一定OPN浓度范围内呈浓度依赖关系。OPN可与LPS诱导剂呈协同作用，促使巨噬细胞向M1型极化。OPN可与IL-4诱导剂呈协同作用，促进巨噬细胞M2型分子的表达，促使巨噬细胞向M2型极化。OPN可促进巨噬细胞融合形成多核的FBGCs，并与IL-4有协同作用。OPN能够促进巨噬细胞的破骨分化相关因子TRAP、MMP-9、CTSK等的表达。巨噬细胞的增殖不受骨涎蛋白浓度的影响，但骨涎蛋白能促进巨噬细胞的迁移、融合，以及黏附基因和炎症因子基因的表达。本项目对界面蛋白OPN和BSP对巨噬细胞免疫应答的调控作用的探索，提示界面蛋白可能是生物材料改性的潜在靶点，为进一步挖掘研究具有特征作用的靶点蛋白提供了一定的实验依据和研究基础。