基于工程化噬菌体介导的骨质疏松性骨缺损修复材料研究

Bone repair materials clinically used for osteoporotic bone defect only focus on the properties of bone regeneration while significantly neglect the inherent reason of osteoporosis to present a limited therapy. Up to now, there is no report to construct bone repair materials with dual function of bone regeneration and osteoporotic therapy. In view of this requirement, we propose to design and prepare a new material that can simultaneously promote bone repair and treat osteoporosis, and be particularly applied for the repair of osteoporotic bone defect. The main contents of this proposal involve: i) Molecular design and construction of bi-functional bone repair materials consisted of the mineralized phage; ii) In vitro cellular evaluation and in vivo animal evaluation of bone defect repair; iii) Investigation of regulatory pathways and roles on elevating bone regeneration and treating osteoporosis. Through the solution of specific and key scientific issues, we will shed light on molecular mechanism and regulatory role of bi-functional materials on improving bone regeneration and treating osteoporosis, and move forward a vital academic basis for a new generation of phage-induced bio-inspired bone materials on the repair of osteoporotic bone defect.

临床上治疗骨质疏松性骨缺损的修复材料因仅关注于材料的骨再生修复性能而忽略了骨质疏松症这个诱因，从而导致临床疗效不甚理想。目前尚未见报道骨修复材料可同时兼备促进骨再生和治疗骨质疏松症，基于这一需求本项目提出设计具有骨再生和骨质疏松症改善的新型双功能骨修复材料，并应用于骨质疏松性骨缺损修复。主要研究内容包括：双功能矿化噬菌体仿生骨修复材料的分子设计与构建；新材料的体外评价与体内骨缺损修复再生；材料介导骨再生和治疗骨质疏松症的作用途径及调控规律研究等；通过上述具体和关键科学问题的研究，获得对双功能骨材料促进骨再生和改善骨质疏松症的分子机制及其调控规律的深刻理解和认识，进而为发展应用于骨质疏松性骨缺损修复的新一代矿化噬菌体仿生骨材料奠定重要理论基础。

甲状旁腺激素（PTH）重组肽是目前治疗骨质疏松症的重要药物之一，然而通过传统的静脉系统给药，不仅难以在骨缺损局部达到有效的治疗浓度，并且对非骨组织还会引起血钙过多及增加肿瘤风险等副作用。因此，迫切需要研制能在骨缺损处可原位控制释放PTH（1-34）重组肽的新型骨修复材料用于骨质疏松性骨缺损的局部治疗。本研究最初尝试利用M13噬菌体展示技术展示具有34肽的PTH获得工程化噬菌体，然后在原位矿化形成骨修复材料，但是经实验证明此方法展示的PTH不稳定。因此，本项目最终设计和制备一种基于单孔微球（Single-hole microsphere）控释PTH（1-34）重组肽的新型骨质疏松性骨缺损修复材料。实验结果表明单孔微球可以有效延长多肽的释放时间，并且初步证实该体系不仅能够促进BMSCs成骨分化，也可以显著提升血管化。此外，本项目成功构建了大鼠的骨质疏松性模型，并在此模型基础上创造颅骨缺损模型，体内动物实验结果表明PTH（1-34）在骨质疏松性大鼠颅骨缺损处原位缓慢释放修复缺损，并且证实了PTH多肽不仅有效的刺激骨再生，同时也对血管和神经的恢复有显著促进功能，从而真正实现了骨-血管-神经三位一体综合骨缺损修复，为骨质疏松性骨缺损的外科介入治疗提供新的材料选择。