纳米磁驱动调控成骨效应的研究

Remote control of cellular behaviours with magnetic nanoparticles and the applied magnetic field (nanomagnetic actuation) is one of the frontiers in the field of tissue engineering and regenerative medicine. The combined use of magnetic nanoparticles and magnetic fields could enhance bone repair, while the specific interaction process and mechanism is not clear until now. This project aims to develop functional iron oxide nanoparticles which could interact with mechanosensitive surface receptor specifically, investigate the effects of nanomagnetic actuation on the function and osteogenic response of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) under the applied static magnetic field, and develop a new technology to induce the osteogenic differentiation of BMSCs. The project will focus on the effects of nanomagnetic actuation on the mechanotransduction in BMSCs, probe the mechanisms governing mechanosensitive ion channel activity, uncover how the mechanosenstive receptors/cell skeleton interaction regulate BMSCs function and osteogenesis related signalling pathway. And based on this, the regulation of the osteogenic effect using nanomagnetic actuation could be realized ultimately.

利用磁性纳米颗粒与细胞结合的能力，外加磁场调控细胞行为（纳米磁驱动技术）是组织工程和再生医学的前沿研究之一。本项目针对磁性纳米颗粒和外磁场的联合使用能够促进骨修复，但具体作用机制尚未清晰，旨在开发一种能选择性作用于细胞表面特定机械敏感受体的功能氧化铁纳米颗粒，结合外加静磁场作用，研究其对体外培养骨髓间充质干细胞（BMSCs）功能和成骨应答效应途径的影响，为干细胞的成骨诱导分化提供新的技术手段。项目重点聚焦于纳米磁驱动对BMSCs力学信号转导的影响，阐释细胞膜表面机械敏感离子通道的活化机制，以及其与细胞骨架相互作用对BMSCs细胞功能及成骨相关信号通路的调控，并最终实现对靶细胞体内外成骨效应的调控。

凭借其独特的磁学性能，氧化铁纳米颗粒在生物医学领域展现出了非常广阔的应用前景。本项目基于组织工程和再生医学技术的发展，从氧化铁纳米颗粒的可控制备着手，在对骨髓间充质干细胞（BMSCs）成骨分化机理的研究基础上，构建了能特异性作用于细胞表面机械敏感受体（整合素和TRPV5）的功能氧化铁纳米颗粒，通过体外细胞孵育实验与分子动力学模拟相结合，探求相关受体活化机制，结合外磁场建立纳米磁驱动技术，调控BMSCs的成骨效应。.利用共沉淀法尝试制备不同形貌的氧化铁纳米颗粒，通过物理辅助技术调控颗粒的晶核生长过程，提高磁性纳米颗粒的结晶度和饱和磁化强度，并控制所得颗粒的粒径分布，一步法得到羧基化表面的氧化铁纳米颗粒，在偶联试剂（EDC-NHS）作用下，分别偶联RGD和抗TRPV5抗体，构建得到良好稳定性和水溶性的功能颗粒。.在实验最高浓度0.01mg/mL及以下，颗粒对共孵育BMSCs的形貌、迁移、细胞活性以及细胞凋亡无显著影响，羧基化表面会抑制细胞的颗粒摄取作用；利用外加静磁场组装了粗细不同的条纹状和正交网格状磁性纳米颗粒聚集体，组装结构能有效调控共孵育MC3T3-E1细胞的形貌，且静磁场和条纹状聚集体对MC3T3-E1细胞的ALP酶分泌有协同促进作用，二者结合的促进效率达成骨诱导液的75.4%。利用计算机模拟发现聚集体形成的磁场与其结构相关，其对细胞的影响不仅仅基于原始的“接触导向”，聚集体的磁学性能也发挥了特定作用。材料表面的电势差、钙离子螯合以及胶原复合都会促进细胞的成骨效应。.利用分子动力学模拟，对TRPV4和TRPV5通道蛋白进行粗粒化和全原子模拟，研究细胞表面机械敏感离子通道蛋白构型变化与力学刺激之间的关系，与实验结合探求受体蛋白活化机制，指导纳米磁驱动技术的建立。此外围绕与成骨效应密切相关的抗菌和血管生成方面，开发了基于介孔钙硅纳米颗粒的新型根尖感染骨缺损修复材料和基于丝素蛋白的血管组织工程支架材料。.在实验工作基础上，围绕研究内容，整理总结相关进展，撰写发表多篇综述文章。