仿骨發(fā)育微環(huán)境富鎂3D培養(yǎng)系統(tǒng)用于血管化骨再生的研究

意外和疾病引起的組織缺損嚴(yán)重降低了人們的生活質(zhì)量，相比自然界的某些動物，例如蠑螈和壁虎，人類截肢后的再生能力十分有限，大段骨缺損的修復(fù)仍然是一個重大的臨床挑戰(zhàn)。

有些動物，如蜥蜴，可以在截肢后再生整個肢體。這一機(jī)制的研究表明，所涉及的細(xì)胞和分子機(jī)制與胚胎發(fā)育過程極為相似，干細(xì)胞和生物材料的進(jìn)步改善了人工輔助組織再生策略，為患者們點(diǎn)亮了新的希望之光。

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院、上�？谇会t(yī)學(xué)研究所研究人員在Advanced Science雜志發(fā)表的題為“A Magnesium-Enriched 3D Culture System that Mimics the Bone Development Microenvironment for Vascularized Bone Regeneration”的文章，發(fā)現(xiàn)了MagT1對血管化骨再生的特定作用，成功地構(gòu)建了一個富鎂3D培養(yǎng)系統(tǒng)，可以模擬骨發(fā)育微環(huán)境的血管化骨再生。
 

近年來，生物材料策略在修復(fù)大型骨缺損方面受到格外關(guān)注。以前的研究報告稱，生物材料的結(jié)構(gòu)和組成盡可能地模擬天然骨組織，可顯著提高骨再生效率，例如將天然存在于骨基質(zhì)內(nèi)的生物活性離子，如銅離子、鍶離子和鎂離子（Mg²⁺）加入骨替代物中，可刺激血管化骨再生，然而有關(guān)這些生物活性離子的刺激效應(yīng)的具體機(jī)制尚未完全了解。

通過研究小鼠胚胎，研究人員發(fā)現(xiàn)鎂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1（MagT1）在軟骨內(nèi)成骨區(qū)有選擇性地高表達(dá)，還檢測到MagT1在大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)成骨分化過程中的高表達(dá)。有充分的文獻(xiàn)證明，軟骨內(nèi)骨化是一種先天血管化骨形成的過程，表明MagT1的表達(dá)可用于血管化骨再生。有研究報道，通過生物材料釋放Mg²⁺可誘導(dǎo)大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞MagT1上調(diào)。

“因此，我們推測局部Mg²⁺積聚導(dǎo)致MagT1高表達(dá)可能模擬骨發(fā)育的微環(huán)境，從而誘導(dǎo)血管化骨形成。”文章作者寫道。本文重點(diǎn)探索了構(gòu)建血管生成和成骨微環(huán)境的最佳Mg²⁺濃度，以及通過MagT1的下游信號通路，以闡明MagT1對血管化骨再生的特定作用。
 

圖1. 骨骼再生富鎂3D培養(yǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建圖式，Mg²⁺內(nèi)流通過MagT1介導(dǎo)干細(xì)胞的成骨分化

首先，通過評估MagT1的表達(dá)水平，篩選出創(chuàng)建成骨微環(huán)境的最佳Mg²⁺濃度，并將其與干細(xì)胞的成骨分化能力相對應(yīng)。體外成骨誘導(dǎo)使用了賽業(yè)OriCell®成骨誘導(dǎo)分化培養(yǎng)基，培養(yǎng)基中富含不同濃度的Mg²⁺，低濃度（0.1×10⁻³ M）抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）分化，高濃度（18×10⁻³ M）對骨代謝有不利影響，其中2.5×10⁻³ M和5×10⁻³ M組的MagT1表達(dá)顯著增加，綜合來看，2.5×10⁻³ M至5×10⁻³ M的Mg²⁺濃度為成骨誘導(dǎo)的最佳濃度。
 

圖2. Mg²⁺通過高表達(dá)的MagT1促進(jìn)成骨分化

隨后討論Mg²⁺成骨誘導(dǎo)作用的分子機(jī)制。先將BMSCs培養(yǎng)于富含5×10⁻³ M Mg²⁺的培養(yǎng)基中，在不同時間點(diǎn)收樣進(jìn)行Western Blot。結(jié)果表明Mg²⁺通過選擇性地激活MAPK/ERK通路誘導(dǎo)干細(xì)胞成骨分化，并且誘導(dǎo)成骨作用與MagT1介導(dǎo)的Mg²⁺流入密切相關(guān)。
 

圖3. Mg²⁺的骨誘導(dǎo)機(jī)制研究

接下來，研究人員著手制備合適尺寸的富鎂微囊以保證囊封細(xì)胞活力，一系列實驗表明，他們的富鎂微環(huán)境不僅能刺激干細(xì)胞成骨分化，還能促進(jìn)新生血管形成，在大鼠體內(nèi)使用這些富含Mg²⁺的細(xì)胞運(yùn)載工具可觀察到明顯的血管化骨再生。

總而言之，研究人員的的生物再生方法為干細(xì)胞構(gòu)建一個類似胚胎的微環(huán)境是一種很有潛力的骨再生策略，構(gòu)建模擬發(fā)育微環(huán)境的生物材料可能為獲得更好的再生效果提供一種工具。

原文檢索：
A Magnesium-Enriched 3D Culture System that Mimics the Bone Development Microenvironment for Vascularized Bone Regeneration.

DOI: 10.1002/advs.201900209