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背景和目的:骨质疏松症发病率高,危害性大,目前是骨科研究领域关注的热点。骨质疏松症最严重的危害是并发脆性骨折即骨质疏松性骨折。萎缩性骨不连是骨折后常见晚期并发症,导致患者行动不便,给患者带来沉重社会经济负担。骨质疏松和萎缩性骨不连患者骨形成能力减弱。骨髓间充质干细胞（BMSCs）是骨髓来源的一种多能干细胞,在体内可以分化为成骨细胞,促进骨形成。骨质疏松患者体内BMSCs数量减少,成骨分化能力减弱。而萎缩性骨不连患者体内BMSCs的数量也减少并且增殖能力减弱。BMPs-SMAD信号通路是促进BMSCs成骨分化的主要信号通路。骨质疏松患者骨组织中和骨不连患者骨折处均存在BMPs-SMAD信号通路的异常调节。BMPsSMAD信号通路在体内受到严格的调控。组蛋白去甲基转移酶和BMPs antagonists对于BMPsSMAD信号通路调控受到越来越多的关注。本课题拟针对骨质疏松和萎缩性骨不连发生的机制,从BMPs-SMAD信号通路调控BMSCs成骨分化的角度出发,探讨组蛋白去甲基转移酶在骨质疏松症以及BMPs antagonists在骨不连发生中的作用机制,并探索其中可能的治疗靶点。内容和方法:1、构建双侧卵巢切除（OVX）小鼠骨质疏松模型,分离小鼠BMSCs。骨形态发生蛋白2（BMP2）诱导BMSCs成骨分化,观察OVX小鼠来源的BMSCs的成骨分化能力以及BMPs-SMAD信号通路下游靶基因Runx2的表达。利用Ch IP-PCR检测OVX小鼠来源的BMSCs中Runx2启动子区H3K4me3的表达。生物信息学方法分析骨质疏松患者来源BMSCs中BMPs-SMAD信号通路分子以及组蛋白去甲基化酶的表达。在小鼠BMSCs中敲低或者过表达Kdm5a,检测Kdm5a对BMSCs成骨分化能力的影响以及其作用机制。在体外利用Kdm5a的抑制剂JIB-04处理BMSCs后检测BMSCs的成骨分化能力,灌胃给予JIB-04治疗后检测OVX小鼠骨丢失的缓解情况。2、分离培养并鉴定骨折正常愈合患者以及萎缩性骨不连患者来源的BMSCs。实时荧光定量PCR检测两种来源的BMSCs中BMPs,BMPs抑制剂以及ID1～4的表达。Western blot检测两种来源的BMSCs中p-SMAD1/5/8的表达。在BMSCs中敲低或者过表达Chordin,检测Chordin对BMSCs成骨分化的影响。利用MTT,AnnexinⅤ/PI,LIVE/DEAD和JC-1等方法检测核酸载体材料polyspermine imidazole-4,5-imine（PSI）对BMSCs的生物相容性。利用实时荧光定量PCR以及western blot检测PSI对BMSCs的转染效率。利用碱性磷酸酶染色和茜素红染色检测PSI/Chordin-si RNA复合物对BMSCs成骨分化能力的影响。利用裸鼠皮下异位成骨模型和单层皮质骨缺损模型检测PSI/Chordin-si RNA复合物对BMSCs在体内骨再生的影响。结果:1、双侧卵巢切除后导致小鼠骨量丢失。与sham组相比,OVX组小鼠来源的BMSCs在BMP2诱导下成骨分化能力减弱,Runx2的表达降低。BMP2促进SMAD5和Runx2启动区的结合并增加Runx2启动子区H3K4me3的表达。OVX小鼠来源的BMSCs中Runx2启动子区H3K4me3的表达降低。Kdm5a在骨质疏松患者和OVX小鼠来源的BMSCs中表达升高。Kdm5a通过降低Runx2启动子区H3K4me3的表达抑制Runx2的表达,从而抑制BMSCs的成骨分化。Kdm5a的抑制剂JIB-04可以促进BMSCs的成骨分化能力,缓解OVX小鼠的骨丢失。2、与骨折正常愈合的患者相比,在萎缩性骨不连患者来源的BMSCs中,Chordin,Noggin和Gremlin表达升高,BMP-7和BMPs-SMAD信号通路下游靶基因包括p-SMAD1/5/8,ID1和ID3的表达则降低。过表达Chordin抑制BMSCs的成骨分化,抑制Chordin的表达促进BMSCs的成骨分化。与经典的非病毒核酸载体PEI25k Da相比,PSI对BMSCs的细胞毒性以及线粒体膜电位的影响更小,而转染效率更高。PSI/Chordin-si RNA复合物在体外促进BMSCs成骨分化,在体内可以促进BMSCs异位成骨以及对骨缺损的修复。结论:1、骨质疏松发生过程中,Kdm5a表达升高,Kdm5a通过降低Runx2启动子区H3K4me3的表达抑制Runx2的转录,降低BMPs-SMAD信号通路的活性,从而抑制BMSCs的成骨分化。抑制Kdm5a的活性可以挽救OVX小鼠的骨丢失。Kdm5a可能成为治疗骨质疏松的新靶点。2、在骨不连患者体来源的BMSCs中Chordin的表达升高,BMPs-SMAD信号通路的活性受到抑制。Chordin抑制BMSCs的成骨分化。PSI对BMSCs具有很好的生物相容性以及更高的转染效率。PSI/Chordin-si RNA复合物促进BMSCs的成骨分化以及骨缺损的修复。PSI/Chordin-si RNA复合物可能成为治疗骨不连的新方法。Chordin可能成为治疗骨不连的新靶点。