成骨细胞在仿Osteoid结构上生物矿化及其调控机制研究

Bone cell culture system are essential tools for the investigation of the moluecular mechanisms that regulate biomineralization. The study focuses on the biomineralization behavior of MC3T3-E1 cells in the 3-dimension tempalet with nano- and micro organized sturcture collagen templates under the regulate of BMPs and mechanical stimulation . The templates with osteoid-like structure are to fabricated by plastic compression. A bone-like tissue with mineralized collagen is to be "biosynthesised" in the study. On the pathway of BMPs/SMads, the molecular mechnisams of regulate biomineralization are going to be analysized during the co-culture of the osteoid-like template and MC3T3-E1 cells . The charicteristic feature of the study lies in the construction osteoid-like structure, which provide an biomimetic envirnment to regulate the mineralization of osteoblast. Data on mineralization mechanisms obtained from cell culture models are valuable for the rational design of bone repair strategies and tissue engineering constructs, and biomaterial innovation. Such studies also provide fundamental information on biomineralization important to understanding basic skeletal (and dental) biology, and to managing mineralization-related pathologies such as the osteomalacias and ectopic calcifications.

骨细胞在体外的细胞培养矿化是研究生物矿化调控分子机制的基本手段。本研究基于新型的plastic compression技术构建仿osteoid结构三维微纳米有序胶原模板，以MC3T3-E1成骨细胞为模型细胞，开展BMPs和周期应力协同作用下在仿osteoid结构胶原模板上细胞的生物矿化行为的研究，实现细胞培养中"生物合成"矿化胶原纤维构建的类骨组织结构，并基于BMPs/Smad通道分析成骨细胞生物矿化的调控分子机制。本研究最重要的特色之处就在于仿osteoid结构的构建，将细胞生物矿化的研究提升至三维有序仿生模板上。本研究不仅探讨硬组织形成和再生的本质所在，为实现骨组织工程化和重建提供重要理论；同时可为病理性矿化的研究提供研究方法和相关机理。

人体硬组织的损伤修复与重建一直是现代医学力求解决的难题，在研制各种仿生硬组织修复材料的同时，人们也不约而同地研究目光转向如何利用人体自身的潜力，再生修复或重建损伤硬组织。自然骨组织是细胞在宿主内经过生物矿化过程形成的。本研究围绕生物矿化过程中细胞加工如何形成有序矿化骨组织的关键科学问题，研制仿osteoid结构的仿生模板，以MC3T3-E1和hMSCs细胞为模型细胞，在生物矿化调控因子作用下开展细胞共培养生物矿化构建组织工程骨。.本研究利用自组装构建的胶原纤维模板，以MC3T3-E1为模型细胞，在体外开展基于细胞介导的生物矿化构建骨组织的研究。模拟人体骨组织中胶原的结构，采用鼠尾胶原构建了有序的液晶胶原支架，POM、SEM和AFM的表征证实该结构可在溶液中长期保持。在上述支架上，开展细胞原位矿化体外构建骨组织的研究。同时探究仿osteoid结构胶原模板对hMSCs细胞成骨分化的调控作用，并以大鼠颅骨缺损为模型，开展体内骨缺损修复研究。.结果表明，在胶原模板上形成的细胞外基质中，SEM和激光共聚焦证实矿化胶原纤维呈平行有序状态排列；HRTEM证实矿化胶原纤维结构与自然骨相同，microCT的观察证实了大量类骨组织的形成；同时免疫染色证实，矿化胶原是由细胞分泌的胶原纤维矿化形成的。更重要的是，矿化胶原纤维在模板引导下形成多层次的有序排列，在一定程度上，在体外通过细胞构建了多级有序的骨组织结构。仿osteoid结构胶原模板促进hMSCs取向排列生长，表达P-ERK1/2，进而促进OCN的表达，从而使其成骨分化。动物实验的microCT和HE，Masson三色染色、ALP染色与OCN染色的结果表明，仿osteoid胶原模板能快速修复大鼠颅骨缺损部位，负载MC3T3-E1和hMSCs后骨缺损部位修复更佳，而MC3T3-E1形成的矿化骨组织效果最好。.上述研究在一定程度上，揭示了骨组织形成过程细胞组装的功能，同时也为骨组织的快速再生和修复提供了理论依据。