骨缺损微环境中TRAP+单核细胞来源的CTGF介导骨膜干细胞活化促进骨再生的机制研究

Deletion of large periosteum in segmental bone defects, lack of stem cells and microenvironment required for osteogenesis, is an important issue in the field of bone regeneration. Studies have shown that there are periosteal stem cells (PSCs) with multi-directional differentiation and self-renewal potential in the periosteum. In bone development, PSCs are formed by intramembranous osteogenesis of cortical bone; in the case of bone defects, PSCs can differentiate into chondrocytes and undergo bone repair by cartilage osteogenesis. However, it is unclear by which mechanism the PSCs are activated and migrated to the bone defect site and how to complete the endochondral bone repair. In the early stage of the project, it was found that the CTGF secreted by the osteoclast precursor TRAP+monocytes in the microenvironment of the bone defect was significantly up-regulated under physiological conditions. In combination with TRAP+ cells, which can promote the development of vascularization and osteogenic coupling, we propose the hypothesis that TRAP+ monocytes promote bone regeneration by secreting CTGF-mediated activation and migration of PSCs. Tissue-specific gene knockout, cell lineage tracking and other methods are used for in vivo and in vitro studies to explore the mechanism of CTGF activation and recruitment of PSCs. This study is of great significance in elucidating the repair of PSCs in bone defect repair, and provides new ideas for the treatment of bone regeneration with PSCs.

节段性骨缺损中骨膜大段缺失，缺乏成骨所需干细胞及微环境，是骨再生领域的重要问题。研究证明，骨膜内存在具有多向分化和自我更新潜能的骨膜干细胞（PSCs)。骨发育中，PSCs通过膜内成骨方式形成皮质骨；当骨缺损时，PSCs可分化为软骨细胞，通过软骨内成骨方式进行骨修复。但是，PSCs通过何种机制被激活和迁移到骨缺损部位以及如何完成软骨内骨修复还尚不清楚。本项目组前期发现，在骨缺损微环境中破骨细胞前体TRAP+单核细胞分泌的CTGF较生理状态下表达量明显上调。结合TRAP+细胞能够促进血管化与成骨偶联，我们提出TRAP+单核细胞通过分泌CTGF介导PSCs活化和迁移从而促进骨再生的假说。本项目拟用组织特异性基因敲除、细胞谱系追踪等方法进行体内外研究，探索CTGF激活和募集PSCs的机制。本研究对阐明PSCs在骨缺损修复中的作用具有重要意义，将为利用PSCs进行骨再生治疗提供新的思路。

骨膜对于骨骼愈合至关重要。 研究表明，骨膜中含有具有多向分化潜能和自我更新能力的骨膜干细胞（periosteal stem cells，PSCs）。 PSCs 在早期骨折愈合过程中被激活，并向软骨细胞谱系分化，这是骨再生的基础。 然而，PSCs 在骨再生中被激活并向软骨细胞谱系分化的机制仍不清楚。 在本研究中，我们证明了抗酒石酸酸性磷酸酶 (TRAP) 阳性单核细胞在骨再生过程中分泌 CTGF 以激活 PSCs。 TRAP 阳性单核细胞的功能缺失实验确定了它们在骨愈合过程中的特定作用。 TRAP阳性单核细胞分泌的 CTGF 促进软骨内骨化并激活小鼠骨折模型中的 PSCs，并维持了PSCs干细胞憩室的稳态。 TRAP阳性单核细胞分泌的 CTGF 通过上调多个多能基因的表达来增强 PSCs 更新。 在机制层面，在PSCs内，CTGF 通过 αVβ5 整合素上调 c-Jun 的表达， c-Jun 转录激活多能基因 Sox2、Oct4 和 Nanog 的转录。 同时，CTGF 还通过 αVβ5 整合素激活 Smad3 的转录和磷酸化。 本研究的结果表明，TRAP 阳性单核细胞来源的 CTGF 通过激活 PSCs 、维持PSCs自我更新和指导PSCs的谱系定型来促进骨愈合，同时该结果提示未来靶向TRAP阳性单核细胞和 PSCs的手段可以促进骨再生和骨修复，这未将来开放新的治疗和预防骨不连和骨缺损提供了新的思路和理论基础。