细胞自噬在纳米硅酸二钙促炎反应中的作用及调控机制

Dicalcium silicate (Ca2SiO4, C2S) particles is an important biomaterial which used as bone substitute and coating materials, there is a broad use of C2S in future orthopedic and dentistry applications. Dicalcium silicate particles could induce cytokines release，autophagy and promote the expression of TLR4. Many researches have studied on the bioactivity of C2S nanoparticles. However, the potential pro-inflammatory effects and autophagy of C2S nanoparticles have never been examined thoroughly. It is not clear that whether the dicalcium silicate nanoparticles will induce the release of pro-inflammatory mediators and autophagy. And what is the role of autophagy in its inflammatory effect. Will TLR4 and its downstream signal pathway (MyD88- or TRIF-) play regulatory role in this process? Because of the mechanism of pro-inflammatory effects and autophagy have not been studied, the broad use of C2S in clinical is limited. Therefore, we evaluated whether the nanoparticles induced the release of pro-inflammatory mediators and autophagy, what is the role of autophagy in its pro-inflammatory effect, whether these effects were regulated by TLR4 recognition and its downsteam pathway through thoroughly studies. The completion of this study will help to further understand the potential risks of application of C2S, and to clarify the pro-inflammatory and autophagy mechanism has important research value.

硅酸二钙是一种新型生物玻璃类材料，具有广阔的应用前景。目前已知微米硅酸二钙刺激细胞释放炎症因子，发生细胞自噬，同时TLR4表达明显上调。近年来，具有更高生物活性的纳米硅酸二钙也逐步应用于医学领域。文献报道，纳米材料被细胞内吞后可诱发促炎反应，TLR4是自噬的环境感受器之一，自噬在促炎反应中起到双向调控作用。那么，纳米硅酸二钙是否也会引起同样的促炎反应和自噬？自噬在纳米硅酸二钙促炎反应中的作用如何？TLR4及其下游信号通路是否参与了细胞自噬及自噬介导促炎反应的调控？对于上述问题，目前国内外均未见相关报道。本研究拟通过体内/体外实验等多种手段，评估纳米硅酸二钙促炎效应，通过观察细胞自噬现象，阐释细胞自噬在促炎效应中的重要作用，探讨TLR4识别及其下游MyD88-和TRIF-依赖通路的调控机制。本研究对于系统评估纳米硅酸二钙生物安全性，全面了解其应用风险和应用前景，具有重要的理论价值和参考意义。

硅酸二钙主要成份为 CaO-SiO2，是一种新型的生物玻璃类材料，常被用作骨替代材料和重要的涂层材料；在牙科领域，常被用作根尖封闭剂和盖髓剂。随着工艺技术的发展，纳米硅酸二钙也逐步应用于医学领域。前期研究结果发现硅酸二钙具有一定的促炎作用，其机制未完全阐明。本课题围绕硅酸二钙的促炎机制，围绕纳米硅酸二钙的体内／体外成骨能力如何，探讨纳米材料与免疫细胞接触后的细胞毒性，对细胞的功能和代谢会产生何种影响?是否影响细胞的自噬水平和氧化应激水平，引起的免疫微环境的变化对成骨的影响进行研究。本研究通过siRNA干扰等技术，发现硅酸二钙的促炎反应是由TLR2介导的NF-κB 和 JNK Pathways信号通路的调控，同时细胞自噬水平增加。采用microCT、骨免疫荧光标记、免疫组化等方法评价体内nC2S的成骨能力。通过ALP染色、茜素红染色、成骨相关蛋白检测nC2S的体外成骨能力，以及nC2S /巨噬细胞调节免疫环境对成骨的影响。检测巨噬细胞极化和细胞因子表达。通过ROS和自噬检测细胞内稳态变化。结果发现，nC2S具有良好的体内修复骨缺损的能力。nC2S改变巨噬细胞形态，细胞表面伸出细小的伪足，细胞表面标志物检测发现细胞极化为M1型。nC2S只在高浓度刺激下促进自噬水平和诱导ROS的产生。nC2S /巨噬细胞调节的环境增强了骨髓间充质干细胞的成骨能力。本研究结论为nC2S具有良好的成骨作用。nC2S对巨噬细胞具有良好的生物相容性。巨噬细胞极化为M1生物型和表达细胞因子。nC2S /巨噬细胞调节的环境增强了骨髓间充质干细胞的成骨能力。纳米硅酸二钙具有更好的生物活性和应用前景，系统全面的评估其生物安全性，对于纳米硅酸二钙的进一步广泛应用，具有重要的理论价值和参考意义。