磷酸鈣生物陶瓷骨誘導(dǎo)過程中細(xì)胞基因表達(dá)的研究.pdf

1、多孔磷酸鈣生物陶瓷不僅具有良好的生物相容性，在一定條件下還表現(xiàn)出骨誘導(dǎo)性，即不用外加生長因子或活體細(xì)胞可以在非骨部位誘導(dǎo)骨組織形成，在治療骨缺損等方面中具有光明的應(yīng)用前景。 已有研究表明多孔磷酸鈣具有骨誘導(dǎo)性的材料學(xué)因素主要包括(1)多孔結(jié)構(gòu)； (2)相組成； (3)結(jié)晶度和力學(xué)性能等。前期動物植入實驗結(jié)果表明多孔雙相陶瓷在體內(nèi)具有較強(qiáng)的成骨誘導(dǎo)能力，因此本論文實驗主要采用多孔的HA/TCP雙相陶瓷。 在骨誘導(dǎo)機(jī)理研究中

2、，對于材料誘導(dǎo)的靶向細(xì)胞一直是猜測和假設(shè)骨髓基質(zhì)細(xì)胞或在植入部位出現(xiàn)的未分化的血管末梢干細(xì)胞，然而缺乏直接的體內(nèi)和體外數(shù)據(jù)證明，間充質(zhì)細(xì)胞的來源問題需要進(jìn)一步研究。另外，在干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化過程中大量的基因參與表達(dá)，從材料——基因表達(dá)的關(guān)系進(jìn)行看，鈣磷材料可以誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)控制成骨發(fā)育的關(guān)鍵基因在細(xì)胞中的上調(diào)表達(dá)嗎?哪些不同的材料學(xué)因素影響這些基因的表達(dá)?這些問題構(gòu)成了本論文的研究內(nèi)容。 在磷酸鈣材料的骨誘導(dǎo)過程中，處于未分化的間

3、充質(zhì)干細(xì)胞、定向的基質(zhì)干細(xì)胞、早期骨祖細(xì)胞、后期骨祖細(xì)胞、前成骨細(xì)胞到成骨細(xì)胞等，都可能是磷酸鈣陶瓷材料誘導(dǎo)的靶向細(xì)胞。本文主要采用了成骨細(xì)胞、骨髓基質(zhì)細(xì)胞、骨骼肌母細(xì)胞等可以向骨細(xì)胞分化的細(xì)胞類型研究了磷酸鈣陶瓷骨誘導(dǎo)過程中對細(xì)胞的誘導(dǎo)分化作用，并從分子生物學(xué)水平提供了骨誘導(dǎo)的證據(jù)。 首先，研究了多孔磷酸鈣陶瓷體外對原代培養(yǎng)的骨髓基質(zhì)細(xì)胞的誘導(dǎo)作用。多孔磷酸鈣陶瓷在植入狗的非骨部位一定時間后組織學(xué)觀察可以在陶瓷的孔隙中形成骨組

4、織，因此，抽取小鼠骨髓，分離培養(yǎng)原代的骨髓基質(zhì)細(xì)胞，體外與各種多孔的磷酸鈣陶瓷材料復(fù)合培養(yǎng)，研究其對原代細(xì)胞的誘導(dǎo)作用。 如果能觀察到多孔磷酸鈣陶瓷對分離培養(yǎng)的骨髓基質(zhì)細(xì)胞起到骨誘導(dǎo)作用，即骨髓基質(zhì)細(xì)胞為骨誘導(dǎo)過程中的靶向細(xì)胞，那么在培養(yǎng)一定時間后應(yīng)該可以觀察到骨組織的形成。為驗證這一假設(shè)，設(shè)計了擴(kuò)散盒模型，即多孔磷酸鈣陶瓷與分離培養(yǎng)的大鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞一起裝入到擴(kuò)散盒中，然后植入到動物肌肉中，以屏蔽宿主的自身細(xì)胞，利用動物自身的

5、血液循環(huán)和營養(yǎng)環(huán)境，植入一定時間后，觀察其成骨情況。在植入半年后，組織學(xué)切片觀察到多孔陶瓷孔隙里面已形成骨組織，證實了這一假設(shè)，進(jìn)一步為鈣磷陶瓷的骨誘導(dǎo)性提供直接證據(jù)。其次，體外培養(yǎng)研究了磷酸鈣陶瓷材料的材料學(xué)因素對成骨細(xì)胞骨誘導(dǎo)過程中細(xì)胞的生長、增殖、骨相關(guān)基因的表達(dá)等。體外培養(yǎng)情況下，細(xì)胞通常是生長在材料的表面上，因此，以多孔磷酸鈣陶瓷形成類骨磷灰石層后為研究材料，研究材料表面形貌變化對成骨細(xì)胞的影響；同時，由于不同相成份和不同燒結(jié)

6、溫度下的磷酸鈣陶瓷在培養(yǎng)基中的溶解性不一樣，對細(xì)胞的影響也不一樣，故同時還采用了多種不同相成份和燒結(jié)溫度的磷酸鈣陶瓷材料。結(jié)果表明鈣磷陶瓷不同的相成份和燒結(jié)溫度能夠影響骨相關(guān)基因的表達(dá)，其表面形成類骨磷灰石層后能促進(jìn)成骨細(xì)胞對骨鈣素和Ⅰ型膠原基因的表達(dá)。 最后，由于肌肉組織中也存在大量的多能干細(xì)胞類型，因此以骨骼肌母細(xì)胞(C2C12系)為細(xì)胞模型，我們研究了多孔磷酸鈣陶瓷對肌母細(xì)胞的骨誘導(dǎo)過程中骨特異基因的表達(dá)情況。多孔磷酸鈣陶

7、瓷在骨誘導(dǎo)過程中，即骨的形成過程中，同時伴隨著細(xì)胞的成骨定向分化及骨相關(guān)基因(Cbfal，OCN，Type Ⅰ collagen，Ostcopontin等等)的表達(dá)。Cbfal為多能干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵調(diào)控因子，通過進(jìn)一步定量研究多孔磷酸鈣陶瓷對骨骼肌母細(xì)胞骨誘導(dǎo)過程中Cbfal和OCN基因的表達(dá)情況發(fā)現(xiàn)，骨誘導(dǎo)過程中伴隨著干細(xì)胞的這一分化過程，Cbfal，這一關(guān)鍵基因被激活并高效表達(dá)，從而引起細(xì)胞進(jìn)一步分化，出現(xiàn)確定成骨細(xì)胞功能