Gremlin-1基因活化支架负载BMSCs促进眼眶骨再生及其机制研究

Orbital bone injury caused by orbital trauma, cancer and other eye diseases can induce visual impairment and craniomaxillofacial deformity, an effective treatment is to implant artificial scaffold material in the defect area. At present, the commonly used orbital scaffold material have disadvantages of tissue rejection, infection and other serious complications due to lack of biological activity. In our previous study, gene-modified stem cells and growth factors were used to improve the bioactivity of scaffolds, but faced with the problems of cell safety, poor growth factor. Therefore, the development of biological scaffolds with osteogenic inducing activity has important significance for the repair of orbital bone defects. Studies have shown that both the Gremlin-1 protein contributes to bone and blood vessels regeneration. In this study, we will design a vector containing the affinity of BMSCs and the intracellular response of Gremlin-1 gene to evaluate the efficiency of its delivery and explore its ability to regulate osteogenesis and differentiation of BMSCs and its mechanism. Then we constructed the biologically active scaffolds of the composite Gremlin-1 gene delivery system. The osteoinductive activity and bone regeneration ability of the biologically active scaffolds were evaluated by orbital orbital wall defect repair. We explore the mechanism and repair potential of Gremlin-1 gene-activated composite scaffold in the repair of orbital bone defects from the four levels of gene-protein-small animal-large animal to lay the foundation for the repair of orbital bone regeneration.

由眼眶外伤、肿瘤等眼病造成的眼眶骨缺损会导致视功能障碍和颅颌面畸形，需要在缺损区植入人工支架材料。目前常用的眼眶支架材料由于缺乏生物活性，存在组织排异、感染等严重并发症。课题组前期利用基因修饰干细胞和生长因子协同的方法提高支架材料生物活性，但却面临细胞安全性、生长因子活性差等问题。因此，开发具有成骨诱导活性的生物支架材料对眼眶骨缺损修复具有重要意义。研究表明Gremlin-1蛋白兼具促成骨和成血管作用。本研究拟设计具有BMSCs亲和性的Gremlin-1基因递送系统，探究其调控BMSCs成骨分化能力及其作用机制；构建复合Gremlin-1基因递送系统的生物活性支架，通过裸鼠异位成骨、犬眼眶壁缺损修复实验，评价该生物支架的骨诱导活性和血管化能力。从基因-蛋白-小动物-大动物四个层次，多角度探索Gremlin-1基因活化支架在眼眶骨缺损修复中的作用机制和修复潜能，为眼眶骨再生修复奠定研究基础。

由眼眶外伤、肿瘤等眼病造成的眼眶骨缺损会导致视功能障碍和颅颌面畸形，需要在缺损区植入人工支架材料。目前常用的眼眶支架材料缺乏生物活性，存在组织排异、感染等严重并发症。因此，开发具有成骨诱导活性的生物支架材料对眼眶骨缺损修复具有重要意义。本项目首先构建了基于壳聚糖季铵盐、全氟卟啉和碳量子点的多种高亲和性基因递送系统，实现Gremlin-1基因对BMSCs的高效转染，并对其进行了详细的物理表征检测及生物相关检测，包括基因递送系统结构单体的分子量测定、核磁检测、转染效率检测、生物安全性检测等。同时，项目组着眼于眼眶骨修复支架的制备与改性，开发了一种支架表面改性的新策略，通过电化学技术，在支架表面生长一层立状结构的石墨烯，构建功能化支架。通过立状石墨烯的切割功能和金属-支架界面的电势转移效应，实现良好的抗菌效果。进而，项目组将基因递送系统与表面改性支架复合，制备基因活化支架，并评价其生物相容性及生物安全性。在研究中项目组发现基因活化支架表面巨噬细胞与BMSCs独特的互作表型，并通过质谱分析深入探究关键互作蛋白，系统性评价了基因活化支架的免疫调节能力。本项目成功构建了Gremlin-1基因活化支架，并对其基因转染能力与免疫调节能力进行了系统性表征，有效实现了骨缺损的高效再生，为眼眶骨缺损的基因活化治疗奠定了基础，并有望实现成果转化。.在此项目资助下，课题组已在Adv Mater，Adv Func Mater等权威期刊发表论文8篇。其中SCI收录论文6篇（影响因子大于10的论文2篇，总影响因子68.7），中文核心期刊2篇。从事与本项目相关的毕业博士1名，毕业硕士1名，目前还有在读博士研究生2名，从事与本课题相关的实验工作。申请专利3项，其中已获授权2项。项目组成员获得国家级科研项目2项，参加国际国内重要学术会议5次，就本项目的研究成果做交流汇报。举办全国级继续教育学习班4次。