基于生物組學(xué)的羥基磷灰石骨誘導(dǎo)機(jī)理研究.pdf

1、目前，骨損傷修復(fù)存在的主要困難之一是可用于填充缺損和促進(jìn)骨生長的生物材料非常有限。羥基磷灰石是構(gòu)成骨骼的主要無機(jī)成分，由于具有良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于人體骨組織修復(fù)中。羥基磷灰石的主要制備方法包括化學(xué)合成（稱之為合成羥基磷灰石）和從骨骼和牙齒、魚鱗等天然生物體內(nèi)提取（稱之為天然羥基磷灰石）兩種方式。合成羥基磷灰石是一個化學(xué)分子式為Ca10(PO4)6(OH)2的化學(xué)計(jì)量材料;而天然羥基磷灰石除了羥基磷灰石的

2、成分以外還包含與骨無機(jī)成分相似的微量離子，因此具有與骨礦化成分最大的相似性。目前，基于天然與合成羥基磷灰石醫(yī)用生物材料均已被廣泛使用，但對于天然與合成羥基磷灰石的理化性質(zhì)的對比研究仍然較少，對于兩種材料生物相容性和堿性磷酸酶活性等成骨性能的比較更少，更未見采用蛋白質(zhì)組學(xué)等高通量技術(shù)比較和研究其成骨誘導(dǎo)機(jī)理的報(bào)道。
　　本課題組前期對天然與合成羥基磷灰石進(jìn)行了制備與表征，然后對天然與合成羥基磷灰石的蛋白吸附特性進(jìn)行了比較，并進(jìn)一步通

3、過基因表達(dá)譜芯片技術(shù)結(jié)合生物信息學(xué)分析研究了天然羥基磷灰石對小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的影響。在前期研究的基礎(chǔ)上，本論文將對天然與合成羥基磷灰石的理化性質(zhì)、生物學(xué)性能、骨修復(fù)能力及其分子機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)的比較，然后通過對天然羥基磷灰石作用于細(xì)胞后的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和miRNA的聯(lián)合分析，探討天然羥基磷灰石誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化所介導(dǎo)的生物學(xué)通路及通路中miRNA的調(diào)節(jié)作用。本論文包括兩個部分的內(nèi)容，
　　第一部分是天然和合成

4、羥基磷灰石理化性質(zhì)及生物學(xué)性能比較研究，主要內(nèi)容包括:
　　1)對天然與合成羥基磷灰石粉體和圓盤狀試樣進(jìn)行了制備與理化性質(zhì)的表征，結(jié)果顯示，與合成HA相比，天然HA中存在特有的碳酸根、磷酸氫根及鎂和鈉元素;并且天然羥基磷灰石具有更大的單晶尺度和更高的結(jié)晶度;此外，浸提液中鈣離子的檢測表明天然HA可能具有更高的穩(wěn)定性，而合成HA則具有更高的溶解-沉積特性;鎂離子檢測表明僅在天然HA組出現(xiàn)鎂離子溶出。
　　2)采用貼壁篩選與密度

5、梯度離心分離相結(jié)合的方法對小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞進(jìn)行了分離提取，然后采用流式細(xì)胞術(shù)進(jìn)行鑒定了細(xì)胞表面標(biāo)志物和細(xì)胞的同質(zhì)性，結(jié)果顯示，第4代間充質(zhì)干細(xì)胞高表達(dá)細(xì)胞粘附因子CD29和CD44，而低表達(dá)淋巴細(xì)胞標(biāo)志物CD14和造血細(xì)胞標(biāo)志物CD34，這表明第4代細(xì)胞已經(jīng)得到了純化，所培養(yǎng)的細(xì)胞為骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞。
　　3)采用熒光染色和MTT測定方法研究間充質(zhì)干細(xì)胞在天然與合成羥基磷灰石圓盤狀試樣表面的形貌和增殖情況，結(jié)果顯示，天然與合成

6、羥基磷灰石表面所培養(yǎng)的細(xì)胞形貌相似，與對照組相比材料表面細(xì)胞更易呈團(tuán)聚狀生長且增殖緩慢。
　　4)采用基于iTRAQ標(biāo)記的二維液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對天然與合成羥基磷灰石表面生長細(xì)胞的蛋白質(zhì)表達(dá)情況進(jìn)行研究，在天然與合成羥基磷灰石組24和72小時共鑒定出可信蛋白質(zhì)800個;對所選蛋白質(zhì)的表達(dá)情況進(jìn)行Western blot驗(yàn)證顯示兩種方法所得結(jié)果具有較好的一致性，這表明蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)可信。
　　5)對蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行生物信息

7、學(xué)分析，結(jié)果顯示天然與合成羥基磷灰石對細(xì)胞主要的GO功能類別影響相似，但在“對無機(jī)物質(zhì)的反應(yīng)”、“離子跨膜運(yùn)輸”、“生物礦化”和“血管發(fā)育”等功能中存在一定的差異;此外，兩種材料能夠通過特定生物學(xué)通路介導(dǎo)細(xì)胞的增殖、形貌和分化功能，并且生物學(xué)通路之間能夠通過蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)而相互聯(lián)系。
　　6)對培養(yǎng)于天然與合成羥基磷灰石表面的細(xì)胞進(jìn)行礦化檢測，結(jié)果表明兩種材料表面細(xì)胞的礦化程度均高于對照組，但天然羥基磷灰石能夠?qū)ΦV化作用產(chǎn)生更

8、大的促進(jìn)作用。
　　第二部分是天然羥基磷灰石成骨誘導(dǎo)機(jī)理的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和miRNA聯(lián)合分析，主要內(nèi)容包括:
　　1)對天然羥基磷灰石對細(xì)胞作用的蛋白質(zhì)組學(xué)和基因表達(dá)譜芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，兩組數(shù)據(jù)在各時間點(diǎn)的上調(diào)表達(dá)基因或蛋白質(zhì)數(shù)量均大于下調(diào)表達(dá)的基因或蛋白質(zhì)數(shù)量;對蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行GO功能分析共篩選到4個與成骨分化相關(guān)的節(jié)點(diǎn)，分別為骨骼發(fā)育、細(xì)胞分化調(diào)控、細(xì)胞分化負(fù)向調(diào)控和細(xì)胞分化正向調(diào)控。這4個節(jié)點(diǎn)包含在

9、基因表達(dá)譜芯片數(shù)據(jù)所涉及的13個與成骨分化相關(guān)的節(jié)點(diǎn)中。在這4個節(jié)點(diǎn)中最終篩選得到10個與成骨分化相關(guān)的蛋白質(zhì)。
　　2)對蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)與基因表達(dá)譜芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行生物學(xué)通路聯(lián)合分析，共得到89條mRNA和蛋白質(zhì)共同參與的生物學(xué)通路，其中MAPK信號通路和TGF-β受體信號通路等可能在天然羥基磷灰石所誘導(dǎo)的成骨分化中發(fā)揮重要作用。
　　3)對microRNA在天然羥基磷灰石成骨誘導(dǎo)中的調(diào)節(jié)作用進(jìn)行分析，結(jié)果顯示在所檢測的13個

10、microRNA中，有9個microRNA在分化相關(guān)通路中發(fā)揮了調(diào)控作用，其中miR-26a和miR-26b可能通過調(diào)控成脂分化通路從而對細(xì)胞的成脂分化產(chǎn)生抑制作用，而miR-222可能通過調(diào)控MAPK通路從而在細(xì)胞的成骨分化中發(fā)揮重要的促進(jìn)作用。
　　4)對天然羥基磷灰石的成骨誘導(dǎo)能力進(jìn)行了檢測，堿性磷酸酶染色實(shí)驗(yàn)顯示培養(yǎng)于天然羥基磷灰石表面的間充質(zhì)干細(xì)胞能夠被誘導(dǎo)成骨分化;成骨分化通路驗(yàn)證試驗(yàn)表明，天然羥基磷灰石通過MEK1/