骨形态发生蛋白-2-磷酸钙共沉淀支架与人脂肪间充质干细胞构建新型组织工程化骨

摘要

目的:构建可缓释骨形态发生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2,BMP-2)的仿生磷酸钙(biomimetic calcium phosphate,BioCaP)共沉淀三维支架(BMP-2-coprecipitated biomimetic calcium phosphate,BMP-2-BioCaP),检测其理化特性,探究其对人脂肪间充质干细胞(human adipose-derived stem cells,h ASCs)体内外成骨分化的影响,最终构建以h ASCs和BMP-2-BioCaP为基础的新型组织工程化骨。方法:构建BMP-2-BioCaP三维缓释支架,扫描电子显微镜观察表面形貌,体外检测其缓释能力。将BMP-2-BioCaP颗粒分别浸泡于增殖培养基(proliferation medium,PM)与成骨诱导培养基(osteogenic medium,OM)中,每2天提取上清液用于h ASCs的体外培养。CCK-8实验检测各组h ASCs的体外增殖能力,诱导7 d及14 d后进行碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)染色及活性定量检测,14 d及21 d进行茜素红染色及矿化沉积定量分析,4 d及14 d检测成骨相关基因的表达情况。体内实验使用6只裸鼠,于其背部正中做皮肤切口,向两侧共分离出4个皮下植入腔,分别植入:(1)单纯BioCaP支架,(2)BioCaP支架+h ASCs,(3)BMP-2-BioCaP缓释支架,(4)BMP-2-BioCaP缓释支架+h ASCs(实验组)。植入4周后取材,标本制成组织学切片进行HE染色观察。结果:BioCaP表面由不规则晶体组成三维立体多孔结构,孔直径约为5~10μm,加入BMP-2后,不影响BioCaP原有的立体结构。缓释曲线结果显示,蛋白质在前2天释放速度较快,随后释放速度放缓并于5 d后趋于平稳,之后每天释放量较稳定,至第21天仍有少量释放,累积释放量达20%。CCK-8结果显示,BMP-2-BioCaP缓释支架不会影响h ASCs的早期增殖。诱导7 d与14 d后,OM+BMP-2-BioCaP组ALP染色及活性定量检测均显著高于其他组(P<0.01)。诱导21 d后,OM+BMP-2-BioCaP组矿化结节染色及钙沉积定量检测均高于其他组(P<0.01)。诱导4 d时OM+BMP-2-BioCaP组的Runt相关转录因子2基因(Runt-related transcription factor 2,RUNX2)与ALP基因表达水平较对照组显著升高(P<0.01),诱导14 d时RUNX2、ALP、骨桥蛋白(osteopontin,OPN)和骨钙素(osteocalcin,OC)基因表达量均显著高于其他组(P<0.01)。HE染色分析可见,实验组和BMP-2-BioCaP缓释支架组中,细胞外基质呈强嗜酸性,出现类似骨陷窝的结构,并可见包含其中的类骨细胞。与BMP-2-BioCaP缓释支架组相比,实验组的细胞外基质嗜酸性更强,类骨组织的面积更大,结构更加典型,其他组未见矿化基质和类骨组织形成。结论:BMP-2-BioCaP支架能够实现BMP-2的良好缓释,并能显著促进h ASCs的体内外成骨分化,以h ASCs和BMP-2-BioCaP为基础构建的新型组织工程化骨具有潜在的应用前景。