富血小板纤维蛋白对牙周膜前体细胞成骨分化的影响及机制研究

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口腔多个临床学科均面临着牙槽骨骨量不足的问题。牙周病、创伤和肿瘤等因素导致的牙槽骨缺损,严重降低了患者的咀嚼功能,削弱了美观效果,也使临床修复工作的难度陡增。因此只有彻底解决骨量不足的问题,才能最终提高患者的生活质量。目前,临床常用的骨修复材料多为替代性成骨,而非真正的再生骨,很难完全满足临床修复及患者的需求。近年来的研究显示,应用组织工程手段,可以逐步实现牙槽骨的再生重建。牙周膜前体细胞(Periodontal Ligament Progenitor Cells,PDLPCs)为牙周来源的表达间充质干细胞表面抗原CD44、CD146、STRO-1等的专能成体干细胞,具有牙周组织分化特异性,是牙周组织即牙周膜、牙骨质和牙槽骨损伤后自我修复的原料细胞,且较容易分离获得。理想的种子细胞仍需要理想的细胞支架。再生医学的核心是用载体模拟特殊的组织微环境,使种子细胞和载体形成类似活体组织的整体。目前的研究倾向于使用自体材料作为细胞支架,而富血小板纤维蛋白(Platelet-Rich Fibrin,PRF)因其绝对的自体源性而成为了理想的自体细胞支架材料之一。为了验证PRF是否为理想的PDLPCs支架以及二者的复合能否修复牙槽骨缺损,本实验检测了PRF对PDLPCs生物学行为的影响,并初步揭示了其作用的分子机制。本研究通过酶消化组织块法和克隆环技术分离出具有克隆形成能力,并且阳性表达STRO-1、CD146和CD44,阴性表达CD45、CD11和CD34的PDLPCs,发现其能够活跃增殖,并可以在成骨诱导条件下出现碱性磷酸酶(Alkaline Phosphatase,ALP)水平升高和基质矿化现象,说明PDLPCs具有成为骨组织修复种子细胞的潜力。本研究同时通过组织学染色、扫描电镜的方法显示了PRF的结构和超微结构特点,同时,用ELISA法定量检测PRF在21天内释放各种生长因子的量及释放规律。结果显示,PRF分为无细胞的纤维蛋白层、血小板和白细胞层以及红细胞层,扫描电镜下,呈现为纤维状结构,纤维间孔隙平均直径约5.6μm,滞纳了大量的红细胞、白细胞和血小板。生长因子的释放可持续至少14天。其中转化生长因子-β1(Transforming Growth Factor-β1,TGF-β1)与PDGF-AB(Platelet Derived GrowthFactor-AB,PDGF-AB)在PRF制备完成后14天内可以持续释放,其释放高峰均出现在7天以内,高峰过后,单日释放量逐渐降低,至21日时,这2种细胞因子释放完毕。胰岛素样生长因子-1(Insulin-like Growth Factor-1,IGF-1)的释放高峰出现在第1天,随后单日释放量显著降低。PRF的结构特点和生长因子释放能力为其成为良好的细胞支架和生长因子载体提供了基础。本研究通过细胞生物学方法检测了PRF对PDLPCs生物学行为的影响。以PRF+成骨诱导培养基和PRF+DMEM培养基为实验组培养条件,以成骨诱导培养基和普通DMEM培养基为对照组培养条件,观察不同培养条件对3种口腔前体细胞即PDLPCs、牙囊前体细胞(Dental Follicle Progenitor Cells,DFPCs)和牙槽骨前体细胞(Alveolar Bone Progenitor Cells,ABPCs)生物学行为的影响。结果显示,在PRF与前体细胞的共培养中,PDLPCs呈放射状附着于PRF边缘,而DFPCs和ABPCs则与PRF边缘无附着。PDLPCs在PRF表面可以充分伸展,并伸出细小突起进入PRF纤维网络。细胞迁移和增殖实验显示PRF对3种口腔前体细胞的迁移和增殖均有显著的呈剂量依赖性的促进作用(P<0.01),分别产生约9-24倍的迁移增加和约30-90%的增殖提高,其中对PDLPCs和DFPCs的作用最强,对ABPCs的作用相对较弱。在细胞的成骨诱导实验中,可见成骨诱导培养基、PRF+成骨诱导培养基和PRF+DMEM均具有促进细胞成骨分化的作用,其中PRF+成骨诱导培养基的作用最强,其次为成骨诱导培养基,而PRF单独应用,也对ABPCs和PDLPCs产生了成骨诱导作用,但对DFPCs的作用很弱。说明PRF对前体细胞的成骨诱导作用具有一定的细胞特异性。体内研究显示,在没有复合细胞的情况下,PRF会被机体新生的胶原组织在短时间内替代和降解。但是复合了PDLPCs后,复合物在体内经过21天并未完全消失,组织学染色见PRF结构消失,取而代之的是致密的结缔组织团块,其中的细胞排列规则,呈长梭形,类似于成纤维细胞。但是,当PDLPCs/PRF复合物移植如动物颅骨缺损时,8周后缺损被新生组织完全封闭,且新生组织的μ-CT灰度与骨组织一致。VonKossa染色可见组织内存在大量矿化。体内试验说明,PDLPCs/PRF复合物在合适的体内环境下,即体内成骨信号刺激下,可以形成骨样组织,修复动物的极限骨缺损。本研究通过Real-time PCR和Western Blot法初步揭示了PRF对PDLPCs成骨作用的分子机制,即通过活化ERK1/2通路上调成骨相关转录因子的表达,促发成骨分化,增强成骨标志基因的表达。给与ERK1/2抑制剂U0126后,ERK1/2的表达显著受抑,同时,成骨分化的标志基因表达显著降低,如对OPN和OCN的表达抑制作用最强,其表达量分别为对照组表达量的19.13%和22.0%(P<0.01),对RUNX2和COL1表达的抑制分别为68.37%和45.22%(P<0.05),ALP表达量约为对照组的43.02%(P<0.05)。本实验说明ERK1/2通路参与了PRF对PDLPCs的成骨诱导作用。综上,本研究首次揭示了PRF通过活化ERK1/2途径诱导PDLPCs的成骨分化,并首次阐明PDLPCs/PRF复合移植物在适宜的体内环境影响下可向成骨方向分化改建。本研究从宏观和微观角度验证了PDLPCs/PRF联合应用具有修复牙槽骨缺失的潜力,为其临床应用提供了一定的理论基础,为口腔再生医学种子细胞和细胞支架的选择带来了新的思路。
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