关于Notch信号通路/微结构在生物钙磷陶瓷诱导成骨中相互作用机制的实验研究

The segmental bone defects in maxillofacial region resulted from trauma, tumor and congenital diseases frequently occur in clinics， the reconstruction of which is an enormous challenge to surgeons. The implantation of calcium phosphate ceramics with osteoinduction not only can avoid secondary damage but aslo can accurately repair bone defects by preparing suitable three-dimensional scaffold according to defect size. However, the intrinsic mechanism on the osteoinduction of calcium phosphate ceramics is still unclear. Abundant experiments have proved that the microstructure is a key factor that determines the osteoinduction of biomaterials，and Notch signaling pathway plays an important role in the regulation of bone growth，development and regeneration. Therefore， this project intends to establish bone marrow mesenchymal stem cells （BMSCs）co-culture system with different microstructure biphasic calcium phosphate ceramic （BCP） granules and build ectopic bone formation model in vivo, the aim of which is to investigate the effect of microstructure and the expression pattern of Notch signaling pathway in calcium phosphate ceramics inducing bone formation. In addition, we aslo will evaluate the regulatory role of Notch signaling pathway in BCP inducing bone formation by enhancement and inhibition means. The final purpose is to elucidate the interaction mechanism between Notch signaling pathway and microstructure in process of ectopic bone formation. This project will provide theoretical guidance for the development of biomaterials with excellent osteoinduction.

因创伤、肿瘤及先天性因素导致的颌面部大范围骨缺损，在临床上十分常见，其修复和重建，是国内外面临的重大难题。利用生物材料修复骨缺损不仅可以避免机体的二次损伤，而且可以根据缺损大小制备个性化三维支架以重建颌面骨的功能和外形，是一种具有广阔应用前景的治疗策略。然而，关于钙磷陶瓷材料骨诱导性的生物学机制目前并不十分清楚。研究表明，微结构是决定材料骨诱导性的关键因素。Notch信号通路对于骨的形成和发育具有重要调控作用。本课题拟通过制备不同微结构的双相钙磷陶瓷材料，建立骨髓间充质干细胞共培养体系和体内诱导成骨模型。利用生物学技术，研究微结构对材料骨诱导性的影响及Notch信号通路在诱导成骨中的时空表达规律；并通过增强和抑制Notch信号通路的手段进一步探索Notch信号通路对材料诱导成骨的调控作用，为阐明微结构与Notch信号通路的相互作用机制和开发优良骨诱导性的修复材料提供科学的实验依据。

利用钙磷陶瓷生物材料修复颌面部大块骨缺损，在临床上具有广阔的应用前景。然而，关于钙磷陶瓷材料骨诱导性的生物学机制，并不十分清楚。本课题通过制备不同微结构的双相钙磷陶瓷材料，建立骨髓间充质干细胞共培养体系和体内诱导成骨模型。利用生物学技术，研究微结构对材料骨诱导性的影响及Notch信号通路在诱导成骨中的时空表达规律；并通过增强和抑制Notch信号通路研究Notch信号通路对材料诱导成骨的调控作用。本课题组利用化学沉淀法制备了具有微结构形态的双相钙磷陶瓷材料（直径1-2mm，微孔直径0.45±0.04μm），并将其与第三代Beagle犬骨髓间充质干细胞相复合，建立共培养体系。通过增强和抑制Notch信号通路发现，与空白组及抑制组相比，增强组骨髓间充质干细胞Notch信号通路相关分子（Notch1、Notch2、Jagged1、DII-1、）及骨向分化分子标志物（ALP、Runx2、Osteocalcin）的表达水平具有明显差异。将Notch信号通路增强剂（重组蛋白Jag1）和抑制剂（γ-分泌酶抑制剂DAPT）分别与双相钙磷陶瓷相复合，埋入Beagle犬竖脊肌内，构建异位诱导成骨模型。获取标本，利用分子生物学技术检测发现，与空白组及抑制组相比，增强组标本Notch信号通路相关分子（Notch1、Notch2）及骨向分化分子标志物（ALP、Runx2、Osteocalcin）的表达水平也具有明显差异。这些结果表明Notch信号通路在钙磷陶瓷诱导成骨中发挥重要调控作用，这为我们阐明钙磷陶瓷骨诱导性的生物学机制及后期开发优良的骨诱导性生物钙磷材料提供可靠的实验依据。