生物支架材料的仿生性硫酸化对人骨髓间充质干细胞软骨分化及肥大的影响

The World Health Organization predicts that the number osteoarthritis patients in China will reach 150 million in 2015. Human mesenchymal stem cells (hMSCs) have emerged as a clinically relevant cell source for cartilage repair, due to their multipotency and easy availability. However, after firstly differentiating (chondrogenesis) into chondrocytes (cartilage cells) like cells, hMSCs continue to differentiate toward a hypertrophic phenotype, resulting in extensive mineralization of the neocartilage formed, which should be free of mineralization. This problem, which motivates this proposed work, is now being recognized as a major obstacle to the widespread adoption of hMSCs as a clinically viable cell source for cartilage repair. Glycosaminoglycan (GAG) is a key component of the cartilage extracellular matrix (ECM). Sulfated glycosaminoglycans have been shown to maintain the activity of growth factors,many of which have been shown to promote chondrogenesis and inhibit hypertrophy of hMSCs. Sulfated glycosaminoglycans also attract cations including calcium ions with their negative charges, thereby changing the calcium concentration in the intercellular tissue environment and influencing tissue mineralization. The project proposed to chemically incorporate the sulfate groups in biomaterial hydrogel scaffold to emulate the biochemical properties of the native cartilage cellular microenvironment. This will allow us to investigate the role of sulfation in regulating hMSC chondrogenesis and subsequent hypertrophic tissue mineralization.The results of the project will not only help the development of new stem cell therapies for cartilage repair, but will also guide the design of novel scaffold materials for repairing defects in interfacial regions including ligament/tendon to bone insertions and cartilage to bone interfaces.

近年来，我国骨关节炎发病人数急剧攀升。人骨髓间充质干细胞(hMSCs)由于其各项优点，已成为广泛关注的修复关节软骨的细胞源。然而在初始软骨分化后，hMSCs继续朝向肥大软骨细胞显型分化，导致新生软骨广泛矿化。此问题已成为hMSCs应用于临床软骨修复的主要障碍。糖胺聚糖(GAG)是软骨细胞外基质(ECM)的关键组成部分。硫酸化糖胺多糖已被证明能够吸附并保持各类生长因子的活性。前期实验证明这其中包括多种有利于干细胞软骨分化并能抑制其软骨肥大分化的生长因子。同时硫酸糖胺聚糖所带负电荷能够吸附包括钙离子等正电荷离子，从而改变组织环境中钙离子浓度并影响软骨矿化的过程。本项目提议通过在仿生水凝胶支架材料中加入硫酸根基团以模拟软骨细胞微环境的生物化学特性，并探究其对所封装hMSCs软骨分化及其随后的肥大性软骨组织矿化的调节作用。项目成果不仅有助于开发干细胞软骨修复新疗法，并且也将有助于研发新型支架材料。

人体关节软骨可为关节部位提供运动过程中必要的润滑以及力的缓冲。 然而由于天然软骨自修复能力有限，软骨受损会引发包括骨关节炎在内等疾病，为患者带来了长期的痛苦。目前的临床治疗中，向关节腔中注射透明质酸(HA)溶液可有效缓解骨关节炎患者的疼痛。 然而，由于体内透明质酸酶(HAase)的降解作用，关节中注射的HA溶液在人体内存在的时间较短，使得患者不得不接收频繁的注射，也增加了患者的经济负担。 因此，如何有效减缓HA溶液在体内的降解速度是一个重要问题。 之前的研究证明HAase对HA的快速降解主要是由于对其中-1,4-糖苷键的破坏。 同时HAase也可以降解另外一种和透明质酸结构极其相似的多糖硫酸软骨素(CS)。 但是由于CS主链上的磺酸基团对HAase有一定的空间位阻作用，HAase对于CS的降解要远远慢于HA。 因此，我们推测对于HA的磺酸化同样可以延缓HAase对HA的降解作用。. 研究表明在包括转化生长因子（TGF）在内的成软骨生长因子的作用下，HA水凝胶可有效支持人的骨髓间充质干细胞（hMSCs）向软骨分化和软骨外基质的沉积。 因此，维持水凝胶内长期稳定的TGF的提供是保持hMSCs分化出的软骨细胞形态一个重要问题。由于天然HA没有吸附生长因子的能力，单纯的HA水凝胶并不具备生长因子缓释的功能。 而磺酸化的粘多糖，例如肝素，则可通过静电吸附作用吸附生长因子。 因此我们相信磺酸化的HA水凝胶同样可以延缓TGF的释放，从而促进hMSCs的成软骨分化并抑制其肥大化。. 因此，在该项目中我们制备了具有不同磺酸化程度的HA，并研究了不同磺酸化程度对于HA降解速度的影响。我们的实验结果表明提高对HA的磺酸化程度可有效降低HAase对HA的降解速度。同时，磺酸基团的存在可明显提高HA水凝胶对生长因子的吸附能力。另外，我们也测试了hMSCs在磺酸化HA水凝胶中的软骨分化能力。实验表明在体内和体外，HA的磺酸化均可有效促进hMSCs的成软骨分化并抑制其随后的软骨肥大化。更进一步的动物关节炎模型实验表明磺酸化的HA水凝胶可有效缓解动物的骨关节炎症状。综合上述性质，我们相信磺酸化的HA不仅在治疗骨关节炎方面，同时在软骨原位再生