中空多孔金属假体复合诱导因子对骨髓间充质干细胞生长及成骨分化的影响

中国组织工程研究第20卷第25期2016–06–17出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchJune17,2016Vol.20,No.25ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH3673·研究原著·赵子春，男，1972年生，副主任医师，主要从事假体生物材料的应用研究和骨科创伤的临床研究。中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2016)25-03673-07稿件接受：2016-03-24中空多孔金属假体复合诱导因子对骨髓间充质干细胞生长及成骨分化的影响赵子春，李凌伟，曹志强，李钊伟，李春亮，齐圆圆(青海大学附属医院创伤骨科，青海省西宁市810000)引用本文：赵子春，李凌伟，曹志强，李钊伟，李春亮，齐圆圆.中空多孔金属假体复合诱导因子对骨髓间充质干细胞生长及成骨分化的影响[J].中国组织工程研究，2016，20(25):3673-3679.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.25.004ORCID:0000-0002-1956-1583(赵子春)文章快速阅读：文题释义：诱导因子骨形态发生蛋白2：是转化生长因子β超家族成员之一，具有诱导未分化间充质干细胞向成软骨细胞和成骨细胞定向分化与增殖能力，促进成骨细胞分化成熟，参与骨和软骨生长发育及其重建过程，进而加速骨缺损修复。骨形态发生蛋白2在体内以前体形式合成，经蛋白酶切去除信号肽和前肽，得到由114个氨基酸残基组成成熟肽。成熟肽通过7对二硫键将其保守结构正确折叠。成熟肽同源或异源二聚体才具有生物活性。骨组织工程：指将分离的自体高浓度成骨细胞、骨髓基质干细胞或软骨细胞，经体外培养扩增后种植于一种天然或人工合成的、具有良好生物相容性、可被人体逐步降解吸收的细胞支架或细胞外基质上，然后将这种细胞杂化材料植入骨缺损部位，在生物材料逐步降解的同时，种植的骨细胞不断增殖，从而达到修复骨组织缺损的目的。摘要背景：将骨形态发生蛋白与中空多孔钛合金复合，可提升材料与周围骨组织的亲和力。目的：观察骨形态发生蛋白2对中空多孔金属假体支架内骨髓间充质干细胞生长及成骨分化的影响。方法：将第3代SD大鼠骨髓间充质干细胞直接接种于中空多孔金属假体支架上，分别以含0，0.001，0.01，0.06，0.1g/L骨形态发生蛋白2的DMEM培养基培养，培养0，6，12，24，48h，采用MTT法检测细胞黏附情况；培养18d，茜素红染色检测细胞成骨分化能力。将Transwell培养池置于中空多孔金属假体支架上，上室加入5×108L-1的骨髓间充质干细胞悬液，下室分别加入含0，0.001，0.01，0.06，0.1g/L骨形态发生蛋白2的DMEM培养基，培养0，6，12，24，48h后检测细胞迁徙能力。结果与结论：①培养6-48h，不同质量浓度骨形态发生蛋白2呈时间依赖性促进骨髓间充质干细胞的黏附；②培养18d，经不同质量浓度骨形态发生蛋白2干预后，骨髓间充质干细胞由梭形改变为多角形，细胞呈多层性、重叠性排列，形成大量钙化结节，茜素红染色呈鲜红色；③培养6-48h内，骨形态发生蛋白2可促进骨髓间充质干细胞的迁徙，且呈浓度、时间依赖性；④结果表明：骨形态发生蛋白2可增强中空多孔金属假体支架上骨髓间充质干细胞在的黏附能力、成骨分化能力与迁徙能力。关键词：生物材料；骨生物材料；中空多孔金属假体支架；复合诱导材料；骨形态发生蛋白2成骨诱导因子；骨组织工程；骨髓间充质干细胞骨形态发生蛋白2对中空多孔金属假体支架内骨髓间充质干细胞生长及成骨分化的影响分离培养骨髓间充质干细胞接种于中空多孔钛合金假体支架上分别以含0，0.001，0.01，0.06，0.1g/L骨形态发生蛋白2的DMEM培养基培养培养0，6，12，24，48h，采用MTT法检测细胞黏附情况；培养18d，茜素红染色检测细胞成骨分化能力；培养0，6，12，24，48h后，检测细胞迁徙能力赵子春，等.中空多孔金属假体复合诱导因子对骨髓间充质干细胞生长及成骨分化的影响P.O.Box10002,Shenyang110180主题词：骨形态发生蛋白质类；假体和植入物；干细胞；组织工程EffectsofhollowporousmetalprosthesiscombinedwithinduciblefactorsongrowthandosteogenicdifferentiationofbonemarrowmesenchymalstemcellsZhaoZi-chun,LiLing-wei,CaoZhi-qiang,LiZhao-wei,LiChun-liang,QiYuan-yuan(DepartmentofTraumaOrthopedics,AffiliatedHospitalofQinghaiUniversity,Xining810000,QinghaiProvince,China)AbstractBACKGROUND:Bonemorphogeneticproteinincombinationwithhollowporoustitaniumalloycanimprovetheaffinitywithsurroundingbonetissues.OBJECTIVE:Toobservetheeffectsofbonemorphogeneticprotein2ongrowthandosteogenicdifferentiationofbonemarrowmesenchymalstemcellscufturedonahollowporousmetalprosthesisscaffold.METHODS:Passage3Sprague-Dawleyratbonemarrowmesenchymalstemcellsweredirectlyinoculatedontoahollowporousmetalprosthesis,andthenthescaffoldwasculturedinDMEMmediumcontaining0,0.001,0.01,0.06and0.1g/Lbonemorphogeneticprotein2,respectively.At6,12,24and48hoursafterinoculation,celladhesionwasdetectedbyMTTassay.Cellosteogenicdifferentiationwasdetectedbyalizarinredstainingat18days.Besides,Transwellculturewasputonthescaffold,and5x108/Lbonemarrowmesenchymalstemcellswereaddedintotheupperchamber,andDMEMmediumcontaining0,0.001,0.01,0.06and0.1g/Lbonemorphogeneticprotein2wereaddedintothelowerchambertoobservecellmigrationcapabilityafter0,6,12,24and48hoursculture.RESULTSANDCONCLUSION:After6-48hoursofinoculation,differentmassconcentrationsofbonemorphogeneticprotein2promotedadhesionofbonemarrowmesenchymalstemcellsinatime-dependentmanner.After18daysofinoculation,bonemarrowmesenchymalstemcellsinducedbydifferentmassconcentrationsofbonemorphogeneticprotein2changedfromfusiformtopolygon,andarrangedinamultilayerandoverlappedform.Numerouscalcifiednodulescouldbefound,whichwerestainedredbyalizarinred.Additionally,within6-48hoursofculture,bonemorphogeneticprotein2couldpromotethemigrationofbonemarrowmesenchymalstemcellsinaconcentration-andtime-dependentmanner.Inconclusion,bonemorphogeneticprotein2canenhancetheadhesion,osteogenicdifferentiationandmigrationofbonemarrowmesenchymalstemcellsculturedonthehollowporousmetalprosthesis.Subjectheadings:BoneMorphogeneticProteins;ProsthesesandImplants;StemCells;TissueEngineeringCitethisarticle:ZhaoZC,LiLW,CaoZQ,LiZW,LiCL,QiYY.Effectsofhollowporousmetalprosthesiscombinedwithinduciblefactorsongrowthandosteogenicdifferentiationofbonemarrowmesenchymalstemcells.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2016;20(25):3673-3679.0引言Introduction人工关节中生物固定假体材料的稳定性，主要依赖于假体界面骨组织细胞的生长，以维持长期的机械稳定性[1-2]。然而长期随访研究发现，由于假体材料表面骨生长程度及范围的限制，无菌性松动率仍较高，导致其应用范围受到一定程度的限制。近年来，研究的重点是如何提高假体置入后骨组织的生长及假体周围骨着床的能力及范围，以获得更加长期稳定的生物学效果，成为人工假体组织迫切需要解决的关键问题[3-5]。目前非骨水泥固定人工关节慢慢走入人们的视线，采用微孔技术及成骨诱导因子促进骨组织细胞的生长，以扩大假体周围骨质的生长及分化，对骨组织工程修复起到重要作用。若能够通过假体置入并在其壁上打多个微孔，可利于内外营养物质的流通及输送，加入成骨诱导剂后，不仅可提升假体内成骨细胞的生长存活，还可提高假体与骨组织面的结合稳定性及范围，有助于生物固定假体材料与骨质达到真正的融合[6-7]。组织工程为中空人工关节假体的开发提供了有力的研究依据和条件[8]。早前的骨组织工程支架材料多为生物可降解性材料，此类材料主要由有机聚合物和无机材料构成，可模拟天然骨组织细胞生长的基质环境，具有良好的骨诱导活性及生物相容性，用于临床骨缺损修复。但由于其生物力学强度有限，在骨组织替代和修复过程中强度不够，因此造成人工关节假体的承载力受到一定的限制。目前，将金属材料的刚性支撑与骨组织工程成骨诱导再生相结合，应用于人工关节置换方面的研赵子春，等.中空多孔金属假体复合诱导因子对骨髓间充质干细胞生长及成骨分化的影响ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH3675究尚少[