年轻化细胞外基质微环境对干细胞的抗衰老效应及mTOR介导机制研究

Cellular senescence results in proliferation arrest and impaired multilineage differentiation potential of autologous mesenchymal stem cells (MSCs), which obstructs their therapeutic applications. Extracellular matrix (ECM) has been evidenced to play an important role in MSC senescence. We previously reported that cell-deposited ECM not only enhanced the intracellular antioxidant properties of MSCs, but also prevented premature senescence of MSCs. The further study suggested that the anti-senescence effect of ECM was related to senescence of the depositing cells, the content of elastin, and the elasticity. Therefore, we propose that aged ECM is responsible for MSC cellular senescence and it is effective to prevent MSC senescence by reconstructing a young ECM microenvironment. The project will first study the relationship between ECM aging and MSC senescence. We will prove the anti-senescence effect of rejuvenated ECM on MSC senescence, proliferation, and differentiation. Then we will focus on the role of elastin in ECM, which contributes the protective effect of ECM by improving the elasticity property. Finally the underlying signaling pathway involved in PI3K/AKT/mTOR will be revealed. The results will provide important information for the theory of stem cell senescence and organ aging, will direct the design of antioxidant scaffold biomaterials, and will improve the clinical applications of MSC-based tissue engineering.

细胞衰老是自体干细胞临床治疗面临的主要困难之一，细胞外基质（ECM）微环境在干细胞衰老过程中起关键调控作用。我们的前期研究发现，由细胞分泌的ECM不仅显著增强了干细胞的抗氧化能力，而且对干细胞过早衰老具有预防作用；进一步研究表明ECM的抗衰老效果与构建细胞的衰老程度、弹性蛋白含量、弹性力学指标密切相关。因此本项目假设：“老化的ECM是干细胞衰老的重要因素，重构年轻化的ECM微环境能有效预防细胞衰老”。本项目拟先证实干细胞衰老与ECM老化之间的关系，验证年轻化ECM对干细胞衰老的预防作用，提高其增殖和分化功能；再分别从胞外和胞内两个角度出发，阐明弹性蛋白对基质弹性性能的调控作用、PI3K/AKT/mTOR信号通道的介导作用，揭示ECM激活胞内抗衰老的分子机理。本项目的研究结果将揭示干细胞和器官衰老的分子调控机制，指导设计具有抗衰老功能的生物材料，提高以干细胞为基础的组织工程的临床治疗效果。

项目背景：间充质干细胞是组织工程的重要种子细胞来源，为修复组织器官带来新的希望。但干细胞增殖和修复能力减弱成为限制其临床应用的主要障碍。抗细胞衰老成为干细胞治疗领域迫切需要解决的问题。细胞外基质对维持干细胞特性和调控细胞行为有至关重要的作用，细胞外基质如何调控干细胞衰老是再生医学重点研究的方向。.主要研究内容和重要结果：构建细胞分泌的细胞外基质，脱细胞过程保留了基质原有的纤维结构和组成成分。将细胞外基质用于培养间充质干细胞，能显著提高细胞增殖效率，增强其抗氧化功能和成骨分化能力。经细胞外基质培养后的软骨细胞，能有效抵御炎性细胞因子的刺激，维持软骨基质的合成能力。较成人骨髓细胞，胎儿骨髓细胞分泌的细胞外基质，对干细胞的增殖和分化具有更强的促进效果。细胞外基质通过降低胞内活性氧，从而抑制单核细胞向破骨细胞方向分化，基质成分纤连蛋白在抑制破骨分化中起着关键的作用。在研究细胞衰老调控在骨质疏松症方面，我们发现褪黑素通过激活SIRT1信号分子增强骨髓干细胞的抗衰老能力，改善雌激素缺乏导致的骨量丢失和骨结构被破坏。在骨性关节炎方面治疗方面，我们证实Kartogenin通过调控miR-146a/NRF2抗氧化信号轴，帮助软骨细胞抵御炎性细胞因子的伤害，延缓创伤性骨性关节炎的进程。.关键数据及其科学意义：研究工作成功构建了由细胞分泌的细胞外基质，用于间充质干细胞培养，提高其增殖效率和分化潜力。年轻化细胞外基质具有更强的促增殖和分化的功能，增强干细胞抵御氧化损伤的能力，明确了细胞外基质抵御细胞衰老和炎性细胞因子的能力，揭示了SIRT1调控间充质干细胞抗氧化功能和破骨细胞分化的分子机制，最后成功将细胞衰老和抗氧化功能的调控机制拓展到骨质疏松症和骨性关节炎的治疗。项目执行期间，共计发表高水平科研论文19篇（均带项目号），申请发明专利3项，参加国内重要学术会议7人次，培养硕士研究生4名。