YAP/TAZ与β-catenin信号交联在纳米拓扑结构介导的牙周膜干细胞成骨分化中的机制研究

The leading edge of regenerative medicine is to learn how to regulate the differentiation of stem cells toward specific lineages and to maintain their phenotypes. Studies have found that the nano-topography of extracellular matrix can simulate cell receptors directly and continuously, which might be the key of maintaining the stability of phenotypes. In our pilot study, we have demonstrated that nano-topographic structure can induce the osteogenic differentiation of stem cells through β-catenin, and we found YAP/TAZ are important effectors in mechanical-biological coupling, which were demonstrated to have close connection to cell's response to nano-topographic surface. In 2015, Cell reported the crosstalk between YAP/TAZ and β-catenin in sustaining the phenotype of embryonic stem cells. However, there is no evidence reporting the role of such crosstalk in inducing and maintaining the osteogenic phenotype of stem cells. Based on these previous studies, we have established models of nano-topology induced osteogenic differentiation of PDLSCs and found both β-catenin and YAP/TAZ were involved in such process. In this project, we will define the molecular mechanism of osteogenic differentiation by nano-topography through the crosstalk of YAP/TAZ and β-catenin and expand such mechanism into bone-defect animal models. The finding of this research can extend our knowledge on the mechanism of nano-topography inducted regeneration of periodontal supporting tissue, and provide a brand-new thought of tooth regeneration, which may possess social and economic benefits.

促进干细胞的定向分化，维持其表型稳定是再生医学研究的前沿领域。细胞外基质的纳米拓扑结构可以长效、直接地刺激细胞受体，维持其表型稳定。课题组前期研究显示纳米结构促进干细胞成骨分化，其信号转导与β-catenin有关，而YAP/TAZ是与干细胞感受基质表面的重要力学感应分子。2015年，Cell杂志报道了YAP/TAZ和β-catenin的信号交联在胚胎干细胞表型维持中的重要作用。然而，该信号交联能否促进和维持干细胞成骨分化表型，目前尚无报道。据此，课题组建立了牙周膜干细胞成骨分化的不同纳米拓扑结构刺激模型，发现YAP/TAZ和β-catenin在信号转导过程中均发挥重要作用。本项目拟在此基础上深入研究两者的交联串话机制，探索其对基质纳米结构介导的PDLSCs成骨分化的调节机制，并将其应用于颅骨缺损动物模型。本研究结果将诠释纳米拓扑结构调节颌面骨组织再生的分子机制，具有良好的社会和经济效益。

促进干细胞的定向分化，维持其表型稳定是再生医学研究的前沿领域。而细胞外基质的纳米拓扑结构被认为可以长效、直接地刺激细胞受体，改变细胞生物学行为，并维持其表型稳定。.本课题主要研究了材料表面纳米拓扑结构对牙周膜细胞在体外、体内成骨分化的影响。1.对聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）表面改性后细胞共培养并施加周期性张应力，成功构建了二维纳米拓扑形貌-外源性应力联合培养模型，并检测材料表面不同纳米拓扑结构对牙周膜细胞生物学行为的影响；2.选择表面纳米拓扑结构形式为纳米孔的聚碳酸酯（Polycarbonate, PC）膜性材料，以此成功构建了孔状纳米拓扑结构-牙周膜细胞培养模型，检测并筛选出具有最佳成骨效力的纳米拓扑结构；3.成功构建了颅骨极限缺损的实验动物模型和皮下异位实验模型，并通过这两种实验模型搭配两种不同的支架复合材料，多角度多方向验证纳米拓扑结构-牙周膜细胞成骨模型的体内成骨效力。.结果显示：1.材料表面的不同纳米拓扑结构介导牙周膜细胞的黏附、增殖、成骨基因表达均有一定程度差异，即二维纳米拓扑形貌可影响多种细胞行为；且这一刺激作用会受到外源性应力干扰。2.明确了基质表面孔状纳米拓扑结构对PDLCs成骨分化的效应，优选出实验组中最适成骨的材料为孔径200nm的聚碳酸酯膜。3.经纳米拓扑结构刺激后的牙周膜细胞，在体内实验中证实其成骨效力明显优于未经刺激的普通细胞。.综上所述，本课题研究了纳米拓扑结构对细胞的生物学行为，特别是成骨分化方向的影响，证实了纳米拓扑结构具有良好的诱导稳定性，并提出内源性与外源性应力对细胞生物学行为可能存在一定的相互作用。本研究探索了组织工程技术新兴研究方向，在口腔颅颌面部骨缺损和骨损伤的治疗中具有潜在的重大应用价值。本课题共攥写论文9篇，其中8篇已经发表，1篇在投；作为指导小组成员，指导培养博士研究生1名，硕士研究生3名。研究成果达到预期目标。