股骨头坏死是由于股骨头局部的血液供应受到阻断和破坏,引起骨细胞的缺血、死亡,导致骨小梁断裂、股骨头塌陷,最后出现关节损伤、髋关节活动障碍等临床表现的疾病。其主要病因包括外伤、糖皮质激素类药物、酒精和其他因素。糖皮质激素性股骨头坏死(Glucocorticoid-associated osteonecrosis of femoral head,GC-ONFH)的确切机制尚不明确,但均与骨细胞死亡和成骨功能障碍有关。疾病主要病理改变为股骨头内出现骨坏死,最终导致软骨塌陷。病理学特征表现为:细胞凋亡、脂肪细胞增多、骨髓间充质干细胞的脂肪变、成骨细胞能力减低以及内皮细胞应激性改变。糖皮质激素类药物(Glucocorticoid,GC)被广泛用于治疗各项临床疾病,过量地使用GC是导致股骨头坏死的主要病因,研究表明激素性股骨头坏死发病率逐渐增高,发病年龄也趋于年轻化。而许多使用糖皮质激素类药物的疾病最初也并非骨科类疾病,特别是自身免疫性疾病,风湿性及类风湿性结缔组织类疾病。值得注意的是这些疾病会呈阶段性进展,临床治疗中仍需持续甚至过量的使用糖皮质激素。尽管全髋关节置换术(Total hip arthroplasty,THA)可以为髋关节功能障碍的患者提供可靠的治疗效果,但因为有限的假体使用寿命及耐用程度限制了THA的使用。许多学者提出早期治疗方案以保留自身关节,包括使用淫羊藿苷等活血类中药、VitaminK2、他汀类、及细胞因子和富血小板血浆等药物,以及股骨头内单纯髓心减压(Coredepression,CD),髓心减压联合自体骨髓间充质干细胞移植等方法进行治疗,这些治疗方案尽管对激素性股骨头坏死有一定效果,但疗效欠佳。近年来,干细胞技术的应用和发展受到越来越多的关注,间充质干细胞(Mesenchymal stem cells,MSCs)除了具有增殖和分化等特征,还具有免疫调节特性。MSCs免疫调节主要是通过分泌具有抗炎、抗凋亡、抗纤维化和促血管生成等功效的旁分泌因子来发挥作用。这些功能使MSCs成为治疗股骨头坏死新的可能。尽管有研究表明MSCs具有对组织修复的治疗功效,但由于递送MSCs至特定所需的目标部位较为困难,例如经静脉全身输入MSCs后,很少有MSCs可以到达心肌、脊髓和关节等部位,因此需要一种有效的非侵入性途径来解决MSCs递送问题。为了能更有效地将MSCs传递到损伤部位,并停留、参与组织修复,本研究选择磁性靶向(Magnetic target,MT)技术与MSCs相结合。最初的MT技术是为了优化化疗的治疗效果,同样,我们也利用该技术将磁性纳米材料与MSCs相结合,然后借助磁场进行引导体内标记的MSCs进行靶向运输,MT技术将使多数细胞到达损伤部位,在不增加细胞总数的条件下,提高参与组织修复的细胞数量。在众多磁性材料中,聚多巴胺包裹的四氧化三铁纳米粒子(Supermagnetic iron oxide nanoparticles@polydopamine,SPION@PDA)因其高磁矩、可调节性、良好的生物相容性、低毒性等特点,因而被选择用作本研究中磁性靶向材料。第一部分:本研究通过水热法合成的SPION@PDA,并对SPION@PDA进行表征,粒径分布约为:146 nm±2.3 nm,Zeta电势:-43.67 mV±0.61 mV;对材料进行溶血实验,结果表明SPION@PDA未产生溶血现象;对人源脐带间充质干细胞(Human umbilical cord Mesenchymal stem cells,HU-MSCs)进行分离、传代培养后,与不同浓度的SPION@PDA进行共孵育,通过CCK8和流式细胞仪检测磁性纳米材料对HU-MSCs的毒性及增殖能力,成脂、成骨、成软骨分化能力,以及表面标志物的影响。结果表明,在体内应用浓度为50 μg/mL时,并未对HU-MSCs产生明显的毒性作用,与空白对照组相比,HU-MSCs的增殖、分化能力以及表面标志物未受影响。上述实验表明SPION@PDA具有良好的稳定性和生物相容性,并且负载粒子的HU-MSCs本身干细胞特性未受到影响,由此表明可以构建安全有效的体系来增强干细胞的递送效果。第二部分:通过脂多糖(LPS)及甲强龙(MPS)诱导大鼠激素性股骨头坏死动物模型,并使用负载SPION@PDA的HU-MSCs联合磁场靶向对激素性股骨头坏死大鼠动物模型进行治疗。CM-Dil染色结果表明在磁场引导下到达股骨头内的HU-MSCs数量更多;Micro-CT结果表明,负载了 SPION@PDA的HU-MSCs联合磁场靶向治疗效果更为明显,股骨头内骨组织经治疗后呈现出恢复的趋势,骨小梁的密度、厚度均增加,趋于正常对照组数值。苏木精和伊红(hematoxylin-eosin staining,HE)染色证明负载 SPION@PDA 的 HU-MSCs 联合磁场治疗的大鼠骨小梁结构良好,并且很少有骨小梁结构或骨髓被坏死组织取代的情况;对大鼠血清炎症因子进行分析,包括促炎性因子:TNF-α、IL-1β、IL-6,以及抑炎因子:IL-4、IL-10的表达水平。结果表明,与阳性对照组相比,负载SPION@PDA的HU-MSCs联合磁场靶向组的抑炎因子IL-4和IL-10显著增高,促炎因子TNF-α、IL-1β、IL-6明显减低;与此同时,血管内皮生长因子的表达水平也明显上调。上述结果表明,负载磁性纳米粒子的HU-MSCs联合磁场靶向可以有效地递送至股骨头内,对股骨头坏死的修复作用更为明显,同时增强了血清内抑炎因子的表达,降低了促炎因子的表达水平,有利于GC-ONFH的修复。第三部分:对负载SPION@PDA的HU-MSCs联合磁场靶向治疗组对激素性股骨头坏死的治疗机制的探讨。本研究对各组内股骨头进行成骨、凋亡相关的因子Runx-2,Osterix,Bcl-2,Bad及Caspase-3的基因表达水平进行检测,对成骨、凋亡相关的p-Akt,Bcl-2,Bad,Caspase-3,Runx-2及Osterix的蛋白表达水平进行检测,同时进行了凋亡相关蛋白的免疫荧光检测。结果表明,负载SPION@PDA的HU-MSCs联合磁场靶向治疗通过促进成骨、调控凋亡相关蛋白表达水平来干预细胞凋亡的治疗机制,从而发挥治疗作用。结合Micro-CT和HE的结果,表明负载SPION@PDA的HU-MSCs联合磁场靶向的治疗方式对股骨头的修复作用更强,进一步验证了该体系良好的生物相容性及其优异的治疗效果,为治疗GC-ONFH提供了新的治疗策略。