研究内容简介
Figure1.ImmunofluorescentstainingofPNAandN-cadherinondays0,1,3,5oftheculture,whichsuggestedthehappeningofacondensationprocess.
骨组织再生有两种成骨途径，软骨内成骨和膜内成骨。体内大部分的骨形成方式为软骨内成骨，但是目前诱导干细胞成骨的方法主要采用一步法直接成骨，即膜内成骨过程而没有完整的模拟体内软骨内成骨的过程。本研究试图从个体发育出发，模拟软骨内成骨途径，探究更强效的干细胞成骨方式。软骨内成骨途径的始发步骤是间充质凝聚。为了完整保留细胞-细胞和细胞-基质的相互作用，模拟间充质凝聚化过程，本研究在体外培养骨髓间充质干细胞（MSCs），使其分泌并沉积大量细胞外基质（ECM）作为骨组织工程中良好的“无支架”细胞支撑原材料。同时，在这部分工作中，我们创造性的引入了一个胰蛋白酶预处理过程，这样的一个操作可以让骨髓充质干细胞在自身的细胞外基质中启动凝聚化过程，从而能够最大程度的模拟软骨发生过程及随后的骨形成。如图1所示，我们的确观察到了一个明显的凝聚化过程。
随后，我们顺序通过常规成软骨体外培养和成骨的体外体内培养来诱导骨发生。实验结果表明，我们构建的无支架3DMSC-mECM构建体具有体外成软骨及骨细胞的能力。同时，通过阻断N-钙粘蛋白，我们发现受阻的细胞凝聚过程和软骨分化能力，由此证明N-钙粘蛋白介导的细胞凝聚过程是引发无支架MSC-mECM构建体在体外形成软骨及骨的关键因素。
Figure2.EctopicboneformationfollowingintramuscularimplantationofMSC-mECMconstructsculturedfor4weeksinvitroinOMmedium(IMO)orCMmedium(ECO).ImagesofμCT(toprow)andbonymorphometry/materialproperties(bottomrow).Dataaremean±standarddeviation(n=4biologicalreplicates).***p0.,****p0.0.
最后，我们通过体内体外实验比较了本研究中的新型骨化过程与传统的膜内骨化过程，如图2所示，通过我们报道的软骨内成骨方式，无支架3DMSC-mECM构建体表现出显著增强的成骨能力和促血管生成能力，并保留了体内植入MSCs细胞活力，证明了软骨内成骨方式的优势。
综上，我们报道了一种全新而有效的干细胞成骨方式，同时探索了背后的形成机制，促进了干细胞转化应用治疗骨再生研究的发展。论文共同第一作医院骨科博士刘雨微和邝彪，匹兹堡大学医学院骨科系AssistantProfessor林航博士为该文章通讯作者。
课题组简介匹兹堡大学医学院骨科系AssistantProfessor林航博士:年南京大学本科生物化学专业毕业，年获中国科学院遗传与发育生物学研究所细胞生物学博士学位，师从著名的干细胞与再生医学领域专家戴建武教授。年9月到年2月期间在美国国家健康研究院（NIH）任博士后研究员。年3月到年7月在匹兹堡大学历任博士后，研究讲师及研究助理教授。年8月至今，任匹兹堡大学医学院骨科系助理研究员，担任骨关节炎及器官芯片实验室主任。长期从事干细胞基础研究及生物材料在再生医学领域中的应用基础研究，先后在功能性材料，活细胞三维打印，微生理器官芯片，干细胞细胞外基质，软骨衰老与骨关节炎等方面提出一系列创新成果。作为通讯作者或第一作者已在《Biomaterials》、《ActaBiomaterialia》、《MolecularPharmaceutics》、《TissueEngineering》等国际期刊发表SCI文章40余篇，总他引次数为余次，H-index影响因子为27。申请发明专利11件，授权4件。作为负责人主持NIHUG3/UH3“微关节新芯片”专项2项，R21“年轻化衰老软骨细胞“项目1项及DiaComp“糖尿病中脂肪与骨的相互关系”专项1项。同时作为共同参与人参加了其他一些联邦及地方项目。年获匹兹堡大学创新奖。年入选NIHButler-WilliamsScholars。
基金资助该研究得到了匹兹堡大学医学院骨科及中南大学研究生研究与创新项目（GrantNo.zzts）的支持。
论文信息
Paperinformation
YuweiLiu#,BiaoKuang#,BenjaminB.Rothrauff,RockyS.Tuan,HangLin*.Robustboneregenerationthroughendochondralossificationofhumanmesenchymalstemcellswithintheirownextracellularmatrix.Biomaterials,:.