镁离子对成人骨髓间充质干细胞外基质矿化的作用和机制

由于金属镁的体内可降解性,镁和镁合金可望成为未来骨科内植物材料。阐明其主要降解产物-镁离子对骨组织的关键细胞-骨髓间充质干细胞(hBMSC)的作用是镁合金生物材料开发的关键问题。并且, 镁离子与骨组织矿化、异位骨化等密切相关。本课题组前期研究发现,细胞外镁离子浓度较正常提高0.5mM以上即抑制hBMSC细胞外基质的矿化，钙结节形成显著减少。并证实该过程伴随细胞膜镁离子通道TRPM7活性的改变。. 本课题拟研究镁离子调节hBMSC细胞外基质矿化过程中TRPM7的表达和活性、细胞Ca2+内流、MAPK/ERK信号通路的作用。阐明镁离子调控hBMSC外基质矿化的机制，探索Mg2+-TRPM7-MAPK/ERK-hBMSC细胞外基质矿化的调控网络，阐述镁离子在骨组织矿化中的作用。为异位骨化的含镁药物治疗提供理论依据，为镁合金骨科生物材的研制奠定细胞分子生物学基础，促进镁合金医学转化研究。

本课题旨在探索高浓度细胞外镁离子（Mg2+）对成人骨细胞髓间充质干（hBMSCs）外基质矿化的抑制作用和分子生物学机制。我们通过从健康成人骨髓中获取、原代培养正常hBMSCs，于含0.8 mM、1.05 mM、1.3 mM、1.8 mM、3.8 mM和5 mM Mg2+的成骨诱导液中培养，21天后茜素红染色测定细胞外基质矿化程度。激光共聚焦法检测hBMSCs内的Ca2+ 自发振荡及其暴露于不同浓度的高Mg2+后频率和幅度的变化，总结变化规律。荧光素酶法检测高Mg2+对hBMSCs培养上清内ATP浓度的影响。ALP染色，Western blot检测相关蛋白；real-time PCR、real-time PCR生物芯片检测相关基因表达情况。结果发现：高Mg2+（≥ 1.3mM）抑制成人骨髓间充质干细胞外基质矿化，呈浓度依赖性。hBMSCs内存在Ca2+振荡，高Mg2+抑制自发性钙振荡频率和幅度和降低hBMSCs的ATP自发释放量。相关基因MGP等升高，SOX9等下降，细胞外Mg2+浓度增加超过0.5mM时TRPM7 的膜/浆易位比值增加。结论，高Mg2+通过抑制ATP自发释放抑制细胞内钙信号，上调骨矿化抑制基因MGP等，下调SOX9等基因，调控TRPM7 的功能，从而影响hBMSCs外基质矿化过程。镁合金快速降解所导致的局部髙Mg2+环境可能导致细胞依赖于Ca2+生理作用的失调，从而对hBMSCs的发挥正常生理作用产生影响。另外研究结果提示，镁的提高可以抑制钙主导的细胞外基质矿化过程，可能具有抑制异位骨化等因矿化过强而导致的疾病。.　　通过本课题的获得和项目的实施，申请人在本课题开展期间晋升副主任医师，成功获得同济大学、南京医科大学、苏州大学硕士研究生导师资格，并已招收硕士研究生4名，其中毕业1名，在读3名。通过本课题资助发表SCI文章1篇，中国科技统计源期刊发表文章3篇，已接收3篇，参编专著1部，即将出版。