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背景:
关节软骨退变引起的大块软骨缺损一直是骨科临床上尚未完全解决的难题,关节软骨自身修复能力十分有限,甚至小的软骨缺损也无法修复,软骨发生退变,发展为骨关节炎[1]。临床上常在关节镜下进行软骨下骨钻孔、软骨磨削、微骨折等治疗,通过自身修复以纤维软骨组织的形式填补缺损,但再生组织和缺损边缘透明软骨发生退变,软骨细胞坏死,最终无法真正愈合,临床远期疗效并不理想。
组织工程软骨为关节软骨缺损的修复带来了希望,成为关节外科的研究热点。在支架材料上接种种子细胞并复合生物因子,在生物反应器中体外诱导种子细胞扩增与分化,或直接植入软骨缺损部位,在体内孵化细胞,从而达到控制组织再生的目的。因此,应用组织工程方法构建骨软骨复合体更符合软骨缺损修复的实际需要。该方法由于软骨下骨板的完全修复,为软骨愈合提供了良好的支撑和营养供应,从而防止修复区软骨退变。微小RNA(microRNA,miRNA)是近年来发现的转录后水平基因功能负性调节因子,广泛存在于真核生物中,长度约为22nt的非编码小RNA。miRNA具有数目众多的靶基因,生物学功能广泛。越来越多研究证据表明,干细胞在分化、功能表达过程中miRNA起到不可或缺的作用。
目的:
从miRNA的角度,在转录后水平上调查双梯度双层一体Collagen/TCP骨软骨支架与脂肪干细胞在修复关节软骨全层缺损过程中的相互作用机制;观察不同(微)环境、不同阶段脂肪干细胞向软骨、成骨方向分化时miRNA表达的规律,并验证与鉴定成软骨、成骨分化相关的miRNA,从而初步阐明Collagen/TCP的载体环境对脂肪干细胞向软骨和成骨分化的miRNA表达与调控规律。同时也为探索利用miRNA调控脂肪干细胞分化、优化组织工程种子细胞,提高双层一体Collagen/TCP构建的组织工程软骨的性能提供理论依据。
SOX家族是一类SRY(sex determination region of Y chomosome)相关基因构成的基因家族,编码一系列SOX(SRY2related HMG2box)家族的转录因子,参与胚胎发育和细胞命运决定的调控,所有成员的共同特点是均含有一个与SRY相关的HMGbox同源的高度保守的HMG2box DNA结合域。SOX转录因子在早期发育中具有不同的组织特异性表达方式,因而被认为是目标特异性转录因子和/或染色质结构调控因素。目前已确定了大约30个脊椎动物和十多个非脊椎动物的SOX基因或基因片段。人和小鼠的不同细胞以及不同组织中的SOX/SOX表达研究显示该基因表达具有时间和部位的特异性,其突变分析和胚胎发育不同时期的表达研究还表明该基因在神经系统发育以及胚胎发育的多个过程中起关键作用。
人类的SOX家族庞大,编码的蛋白质其功能涉及胚胎发育的多个方面和发育过程中广泛区域的细胞命运决定以及性别决定等,并与多种临床综合征和畸形表现关系密切。因此,SOX基因的研究对于揭示性别决定的分子机制、胚胎发育的基因调控等都有十分重要的意义。
体外研究显示,SOX蛋白HMG结构域的特点是具有通过富含AT的序列结合到DNA浅沟的能力,并在结合体上导致DNA形成高度的弯曲。SOX蛋白与DNA的结合引起染色体的明显变形,因此认为它可能也是染色体的结构成分。对目标基因的转录调控可见于多个SOX蛋白。小鼠的SOX4、SOX17和SOX18,如同人类SOX9,能激活受体基因的转录,后者受含有多肽性SOXDNA靶序列的增强子成分的调控。另外,小鼠SOX2和人类SOX4、SOX9通过存在于假定的在体靶基因中的增强子成分激活受体基因的转录]。因此,SOX蛋白被认为是转录调控子,其功能包括染色体结构的局部改变。体外研究显示SOX5和SOX6协同SOX9激活Col2a(1)增强子和Col2a(1)基因。而SOX52敲除和SOX62敲除突变小鼠具有相对较轻的骨骼表型,SOX5、SOX6双敲除突变则表现严重的、普遍的软骨发育不良,特点是软骨的实质缺失。在这种双突变中,软骨生成细胞被大量地束缚在软骨生成间充质浓集阶段显示SOX5和SOX6对软骨细胞的分化是必需的。另一项研究也表明,小鼠的SOX9基因可以在两方面起到至关重要的作用,其一是显示在骨骼发育过程中,另一功能则具有性别决定的作用。
方法:
(1)人ADSCs分离与鉴定。
(2)人ADSCs复合Collagen/TCP成软骨、成骨分化miRNA的检测。
(3)人ADSCs平面培养成软骨、成骨分化miRNA的检测。
(4)人ADSCs无诱导条件下的miRNA表达。
A、miRNA的筛选和目标mRNA的预测。
B、验证差异表达miRNA。
结果:
1、Collagen/TCP在特定的培养液中经过2w后出现结构崩解。
2、miRNA在ADSCs向成软骨、成骨分化过程中出现高表达。
3、mi-194在ADSCs向成软骨分化中高表达。
4、sox5是mi-194的目标基因。
5、在ADSCs向成软骨分化早期过程中mi-194通过抑制sox5起作用的。
结论:
1、Collagen/TCP材料需进一步改进其交联稳定性,改进其因溶于培养液的速率,提高固态稳定性。
2、在脂肪干细胞的存活、增殖、分化过程中miRNA的调控是关键环节。
3、在ADSCs向成软骨分化的早期,mi-194可通过SOX2蛋白质调节ADSCs向成软骨分化的效率。
4、其他的miRNA或类似于miRNA的物质也参与了脂肪干细胞向成骨成软骨分化的作用。