模拟肌腱发育时空调控机制促进组织工程肌腱胶原合成与重塑

Literature report and our previous studies demonstrated the significant difference in collagen superstructure and mechanical properties between engineered and native tendons. Tendon developmental biology study revealed a detailed temporal-spacial regulation mechanism. We thus hypothesize that full scope biomimicking the key factors and procedures of tendon development during tendon reconstruction in vitro is likely to generate tendon equivalent with more native collagen simulated structure and stronger mechanical property, which can be further matured and remodeled in vivo, and finally realize functional tendon regeneration. This study will focus on this aim to mimic the process by providing hypoxia culturing environment along with unilateral mechanical loading, mimicking macromolecular crowding, addition of collagen production and assembly such as TGF-beta，VitC and LOX, etc，and further validate the carry-over beneficial effect of in vitro biomimicking after in vivo implantation, and finally realized the functional tendon regeneration via pre-clinical studies in a rat and a rabbit Achilles tendon repair model.

文献报导和我们前期的组织工程肌腱研究结果显示无论在胶原结构和生物力学性能方面与正常肌腱仍然存在巨大差异。肌腱发育生物学研究提示这一个过程受精密的时空机制调控。因此提出科学假说：通过在体外构建过程中全方位模拟肌腱发育的时空调控机制中的关键步骤和因素，将有望构建出胶原结构更加合理和高力学强度的组织工程肌腱,并在体内微环境中进一步成熟和重塑，实现肌腱的功能性再生。本课题将围绕这一假说，以皮肤成纤维细胞为种子细胞，以平行排列纤维支架为拓扑结构，利用低氧培养环境、单向动态牵拉力学刺激、体内大分子拥挤效应模拟、添加胶原合成促进剂和交联辅助因子转化生长因子-beta（TGF-beta）、维生素C、赖氨酰氧化酶（LOX）等多阶段肌腱发育模拟，并进一步利用体内力学刺激微环境验证其功效，最终开展大鼠和兔跟腱再生修复临床前研究，证实其未来应用的可行性。

文献报导和我们前期的组织工程肌腱研究结果显示无论在胶原结构和生物力学性能方面与正常肌腱仍然存在巨大差异。肌腱发育生物学研究提示这一个过程受精密的时空机制调控。我们在本课题的探索中揭示了机械力学刺激是肌腱发育和成熟的关键因素，可以促进胶原组装调控分子的表达。并且证实波浪形拓扑结构能更好模拟肌腱发育的微环境组织结构，有利于肌腱发育和胶原组装分子的表达。在此基础上，机械力学刺激与波浪形拓扑结构相结合能够更加有效模拟肌腱发育的微环境因素，有利于胶原组装分子的表达和构建肌腱的成熟和功能完善，并通过生信分析证实Hdac4通路和PI3K-Akt通路可能是机械牵张力学刺激促进肌腱发育和成熟的关键通路。进一步研究显示SLPRs 中的decorin 和FMOD 基因敲除小鼠的肌腱原纤维发育异常，无法形成正常胶原纤维结构。本实验证实Ⅰ型胶原和FMOD促进了人ASCs在纳米纱支架上的增殖和基质分泌，特别是FMOD可以抵消外源性胶原成分对细胞内胶原合成的负反馈作用。进一步地，Ⅰ型胶原和FMOD加速了人ASCs为种子细胞构建的肌腱组织在体外的成熟。本研究将Ⅰ型胶原与Fibromodulin共修饰的纳米纱支架上，验证其具有高效诱导作用的生物活性支架，并证明了其在力学刺激下促进肌腱再生的功能。而且发现LOC101929398/ has-miR-197-3p/TENM4 ceRNA 调控轴在小分子糖蛋白（SLRPs）FMOD对ASCs成肌腱分化起着重要作用。