基于Wnt/β-catenin与TGF-β/BMPs信号耦联网络的刺老苞根皮干预骨折愈合分子机制研究

The studies of clinical observation, bone remodeling system in vitro and fracture healing model in vivo confirmed that the active components of Aralia echinocaulis Hand. Mazz can enhance secretion and expression of some correlated cytokines like VEGF, TGF-β, FGF, PDGF, BMPs and ATF4, induce vascularization in callus, speed up collagen synthesis and calcareous deposit, improve the quality of callus’ biomechanics and bone formation, and promote bone healing. Based on above-mentioned studies, in this project, we observed 3D callus’ microarchitecture by micro-CT, computational mathematics methods and virtual imaging technology, combined with the preliminary work (the project of National Natural Younger’s Foundation) to comprehensive evaluate the repair efficacy of active components of Aralia echinocaulis Hand. Mazz on fracture healing. Meanwhile, we established 2D model of osteoblast-osteoclast co-culture system in vitro to lucubrate how active components of Aralia echinocaulis Hand. Mazz regulate the expression of Wnt/β-catenin and TGF-β/BMPs coupled network key signaling molecules between different cells during the repair process of fracture healing, and clarified the molecular biology mechanism of bone matrix formation, differentiation of mesenchymal cells (bone induction), chemotaxis, proliferation and differentiation of osteoblast and osteoclast during fracture healing repairing process.

经临床观察、药效物质基础、体外骨重建培养体系以及在体骨折愈合模型的研究证实：土家族药-刺老苞根皮有效成分群可增强VEGF、TGF-β、FGF、PDGF、BMPs、ATF4及受体等相关细胞因子的分泌与表达，诱发骨痂血管生成，加快胶原合成与钙盐沉积、提高骨痂生物力学性能，促进骨形成，加快骨愈合进程。基于上述工作基础，本课题旨在利用通过mirco-CT手段、计算数学方法及虚拟成像技术在体观测3D骨痂微结构，结合前期工作（青年基金项目）全面评价刺老苞根皮有效成分群对骨折愈合的修复疗效。同时，建立体外成骨细胞-破骨细胞共培养2D模型，以此深入研究刺老苞根皮有效成分群对骨折愈合修复过程不同细胞间Wnt/β-catenin与TGF-/βBMPs耦联网络关键信号分子表达的调控，从而阐明其对骨折愈合修复过程中骨基质的形成、间充质细胞分化诱导（骨诱导）、成骨与破骨细胞的趋化、增殖、分化的分子生物学机制。

采用改良后的胫骨定位打孔技术制备的骨折模型可以作为一种不做内固定的研究药物干预骨折愈合的选择性模型进行使用。从组织病理学角度而言，民族药刺老苞根皮有效成分群可以有效提高骨折部位骨痂骨形态、骨量、骨矿化以及骨密度，改善骨痂力学承载性。从细胞学角度而言，基本完成成骨细胞-破骨细胞共培养，更能有效反映出骨折愈合过程中骨形成-骨吸收的真实关联。体外药物血清学试验表明刺老苞根皮有效成分群对不同细胞的增殖与分化有着不同程度的影响。从分子调控机制角度而言，刺老苞根皮有效成分群对骨重建过程Wnts/beta-catenin与TGF-beta/BMPs耦联网络部分关键信号因子呈现不同程度上调（BMP-2、Osterix、Run-2、bFGF、Samd1、Samd2、TGF-beta、Cbfa1、E-钙粘蛋白、Wnt1、Wnt2、beta-catenin、TCF、EF-1、Noggin、Frizzled-2基因及其蛋白）与下调（APC、Axin、GSK3基因及其蛋白）作用，其可能通过两条通路的节点基因起到调控骨折愈合过程中骨重建作用。综合而言，刺老苞根皮有效成分群确实可以通过参与成骨细胞-破骨细胞间耦联信号网络部分节点基因的调控，进而影响骨痂形成、重塑以及生理功能的恢复，加速骨重建，促进骨愈合进程。但值得注意的是由于试验同时涉及不同细胞，彼此之间影响较为复杂，故此其分子机制作用的机理尚需进一步深入研究探讨。