IPSC-MSCs来源的外泌体对骨质疏松大鼠骨折愈合的影响及相关机制

Osteoporotic fractures are associated with increased morbidity and mortality. The treatment of osteoporotic fracture is very difficult due to instability of internal fixation, delayed union, and progressed osteoporosis with morbidity after fracture. Recent study has shown exosomes derived from stem cells have the effect of regulation of angiogenesis and promote tissue repair through induced Wnt signalling activity in target cells. This project aims to study the effect of exsomes from gene recombined human induced pluripotent stem cells derived mesenchymal stem cells (iPSC-MSCs-exsomes) on osteoblast Wnt/β-catenin signaling pathway expression, and the treatment of fracture healing in osteoprotic rats. We expect that iPSC-MSC-exosomes will promote osteoporotic fracture healing via regulating Wnt/β-catenin signaling pathway; therefore can be developed into an effect therapy for osteoporotic fracture.

随着全球人口老年化，骨质疏松性骨折发病率增加，其死亡率及致残率高。骨质疏松性骨折内固定易松动，愈合延迟，治疗骨折的同时需抗骨质疏松治疗，但药物治疗周期长、费用高、依从性较差。医疗费用巨大，已成为严重的公共健康问题。相关研究证实干细胞来源的外泌体有调控血管生成和促进损伤组织修复作用，有望成为组织损伤修复治疗的新策略。本项目拟通过生物工程技术构建高表达成骨的活性诱导的多潜能干细胞来源的间充质干细胞分泌的外泌体（IPSC-MSCs-exsomes）应用于骨质疏松性骨折的治疗的实验研究，通过研究观察高成骨活性IPSC-MSCs-exsomes对骨松大鼠成骨细胞及骨折愈合的影响；并探讨其对Wnt/β-catenin信号通路的作用机理。为其应用临床治疗提供坚实的科学基础，以期望能促进骨愈合，增加骨密度和骨强度，减少内固定失败等并发症，使患者尽早恢复活动。

骨质疏松性骨折是临床上常见的威胁老年人健康甚至寿命的疾病。既往有许多针对骨质疏松和骨折的治疗方法，但特异性针对于骨质疏松性骨折的疗法尚待开发。有效的靶向骨修复和再生疗法仍存在很大的发展空间，探究新的治疗方法显得迫切而必要。外泌体是近年来被发现的纳米尺度的细胞外囊泡，其在细胞间信号交流中发挥重要作用，也与机体的生理功能和疾病的发生密切相关。本研究在此基础上提出使用hiPSC-MSC外泌体进行骨质疏松性骨折的治疗。许多研究表明干细胞来源的外泌体对多种组织具有修复作用。我们利用临床上无伦理问题，无来源问题的hiPSC-MSC进行研究。我们成功的分离出hiPSC-MSC-exo。在体外验证了hiPSC-MSC-exo促进骨髓间从质干细胞的增殖和分化的能力。通过与生物材料结合，将hiPSC-MSC-exo用于骨质疏松大鼠颅骨缺损的修复，并取得了良好的治疗效果。在此基础上，我们进行了外泌体的工程化改造。miR-2861的低表达被认为与骨质疏松症的发生密切相关。既往的研究认为miR-2861通过HDAC5调控成骨细胞分化。我们的研究发现，miR-2861除了影响成骨能力外，还通过抑制NFAM1，抑制破骨细胞形成；通过抑制HIF1AN，激活HIF通路，促进血管新生。我们得出结论，miR-2861通过影响成骨、破骨和血管新生，协同性的影响骨组织代谢和修复的进程，是骨质疏松和骨修复中的关键分子。通过转染技术，我们构建出过表达miR-2861的hiPSC-MSC，并收集到工程化外泌体hiPSC-MSC-2861-exo。hiPSC-MSC-2861-exo表现出比hiPSC-MSC-exo更强的促进成骨能力，并可调控破骨和血管新生。我们构建了控释外泌体的生物陶瓷支架。通过与生物材料结合，hiPSC-MSC-2861-exo被用于骨质疏松性骨缺损的修复，取得了很好的治疗效果。相关的工作圆满地完成了课题的计划。相关的研究成果对于骨质疏松性骨折的治疗具有潜在的临床转化价值，为骨质疏松性骨折的治疗的提供了新思路。