骨诱导小分子药物在骨组织工程中的应用研究

发布时间：2020-05-20 17:54

【摘要】：背景:生长因子作为骨组织工程中重要的组成元素,发挥着巨大的作用。目前已经有许多的生长因子被FDA批准用于临床上,如BMP2,BMP7。然而,我们发现在转化的过程中仍存在一些问题。无论是生长因子的高成本和难保存,还是它们可能引起的骨代谢异常和免疫原反应,都困扰着我们。骨诱导小分子药物,可作为生长因子的替代物,被应用到骨组织工程中,具有着更广阔的前景。从天然骨诱导小分子十烯酸类,黄酮类化合物,醌类化合物,到合成骨诱导小分子GSK-3β抑制剂,Necro X-7,SVAK-12,越来越多的骨诱导小分子药物被发现和设计合成出来,发挥的促进成骨效果也越来越强,其作用机制也越来越清楚。虽然骨诱导小分子药物比生长因子更加安全稳定和成本低廉,但是长期的系统给予患者,依然可能造成骨代谢紊乱和肝肾毒性,所以在骨组织工程中,我们需要局部的有效的稳定持续的骨诱导小分子药物的释放,已达到良好的促进骨再生和减小毒副作用的效果。目的:本研究设计了两种复合支架材料,并担载不同的骨诱导小分子药物来实现骨缺损的修复。在不同的支架体系中,并通过不同的骨缺损动物模型,验证骨诱导小分子药物的局部缓慢释放和联合使用的方式,能够有效地促进骨缺损的修复。方法:在第一个体系中,在温敏型水凝胶PLGA-PEG-PLGA内加入r GO-HA来提高药物的局部缓释作用,并担载小分子阿伦磷酸钠(ALD),来修复小鼠的临界颅骨缺损。在第二个体系中,在PLGA支架的明胶涂层中担载小分子药物阿伦磷酸钠(ALD)和柚皮苷(NG),通过联合用药的方式来修复大鼠的颅骨缺损。我们利用micro-CT骨形态学参数、HE染色和特殊染色评价骨修复的效果,并通过PCR和Western blot等实验进一步验证不同的载药体系能够显著地提高成骨基因的表达。结果:在第一个体系中,我们在温敏型水凝胶Gel内加入少量的r GO-HA,发现复合水凝胶Gel/r GO-HA的强度增加了1.5倍,小分子药物ALD的释放周期由原来的7天,延长到了14天。通过micro-CT的3D重构和骨形态学参数分析,发现载药复合水凝胶组Gel/r GO-HA/ALD有着最好的骨修复作用。并进一步在分子水平研究发现,它可以通过BMP2和RANKL信号通路来促进成骨细胞的增殖分化,并抑制破骨细胞的活性。在第二个体系中,由于明胶内含有大量的RGD序列,能够有效的促进细胞的粘附和增殖,并改善支架表面的性质。随着明胶覆于支架内部,支架的机械性能和降解性也得到明显的提高。从micro-CT、HE染色、PCR和Westernblot等实验结果中,我们发现共同载药复合支架PLGA+Gelatin/ALD/NG比单一载药复合支架PLGA+Gelatin/ALD和PLGA+Gelatin/NG发挥着更好的骨修复作用。结论:在本课题中,我们设计了不同的骨诱导小分子药物载药体系,并担载不同的药物分子,验证了不同体系在骨缺损动物模型中的修复情况。我们发现,骨诱导小分子在骨组织工程中具有很大的前景,可以通过局部缓慢释放和联合用药的方式,有效地促进骨再生,有希望向临床应用进行转化。
【图文】：

骨再生,信号通路,骨诱导

了五种具有明确的成骨潜能，即 H-8，GW5074，吡那地尔，，SQ22536 和丙戊茶碱。从这五个小分子中，只有一个分子（H-8）证实可诱导骨髓间充质干细胞的成骨作用来自所有捐助者。此外，该化合物与地塞米松等参照的骨诱导小分子具有协同作用。1.2骨诱导小分子的分类骨诱导小分子化合物可分为天然小分子和合成小分子。天然小分子主要从植物或动物中分离及提取出来，而合成小分子是根据不同的药理作用机制来设计的结构或模仿天然小分子的结构而通过化学方式合成出来的。在骨再生过程中有存在许多种信号通路途径，包括 Wnt，TGF-β/BMP，Hh，MAPK，Akt/mTOR 和Notch 等途径[8]（如图 1.1），小分子药物可以通过不同的分子信号通路，来激活或抑制某些基因的表达，从成骨细胞的骨形成和破骨细胞的骨吸收两个方向，起到调节骨稳态的作用[8]（如图 1.2）。

破骨细胞,成骨细胞,稳态,维甲酸

图 1.2 破骨细胞与成骨细胞维持骨稳态Figure 1.2 Osteoclasts and osteoblasts in bone homeostasis天然小分子分子可以从植物或动物中获得，并表现出多种生物活性，可以理想选择，具有良好的前景。大多数天然分子具有复杂的化学结的多样性和新颖性，常常通过分子-分子和分子-蛋白质的相互作和骨吸收，其中许多小分子已经被提取出来应用于运动系统疾病十烯酸类道维甲酸是维生素 A 的中间代谢产物。有研究证实维甲酸能够P 信号通路，能够促进骨的再生[9-10]。十烯酸（DPA）作为从 Pensum CR37010 菌群中发酵而来的自然产物，与维甲酸有着相似的
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.08

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