编号：YYHY00991

篇名：掺钒介孔生物活性玻璃溶出离子对rBMSCs成骨分化的影响

作者： 丛殿滋

关键词： 五价钒; 介孔生物活性玻璃; 骨髓间充质干细胞; 成骨分化; WNT/β-catenin 信号通路;

机构： 四川大学

摘要： 骨组织工程中生长因子的引入,可增加人工骨的生物活性。但临床使用的外源性生长因子在体内易被降解,且不恰当的剂量会造成异位成骨、血管畸形等问题。现阶段已有许多活性元素被证明可以发挥类似生长因子的功能,参与对骨组织修复过程的调控。同时由于活性离子在体内较为稳定,可以持续发挥其相关作用,成为骨修复领域的研究热点。 钒被证明是一种胰岛素类似物,在糖尿病治疗领域中获得广泛关注,同时五价钒的化学性质与磷极为相似,可以替代羟基磷灰石中的磷酸基团并稳定存在于骨组织中,具有较大的骨修复潜能。但现阶段对于钒在骨修复领域的研究仍极为匮乏。因此,研究钒对骨祖细胞行为的影响及其促成骨的效应及机制,对于骨修复材料的研究与临床应用具有非常重要的意义。 本研究以大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)为模型,系统探究钒对rBMSCs成骨分化的影响。通过水热法制备了钒掺杂介孔生物活性玻璃(V-MBG),考察钒掺入对MBG形貌、介孔结构以及组成成分的影响。随后在考察V-MBG离子溶出行为的基础上,以不同稀释倍数的V-MBG浸提液探究了 V-MBG的促成骨效应;最后对钒促进rBMSCs成骨分化的分子机制进行了初步探讨。本论文主要研究内容与结果如下: (1)五价钒单一离子对rBMSCs成骨分化的影响。以钒酸钠(Na3VO4)为钒源,配制含钒培养基。考察了不同浓度VO43-对rBMSCs细胞增殖、碱性磷酸酶(ALP)以及其它成骨相关蛋白表达的影响。结果表明,VO43-在1 d时无明显的细胞毒性,并在3d时表现出显著的促rBMSCs增殖效应。VO43-可促进ALP、COL-1及VEGF等成骨相关蛋白的分泌,表明VO43-良好的促成骨效应和促血管形成的潜力;但在实验周期内对OCN蛋白的分泌影响不明显。 (2)掺钒介孔生物活性玻璃的制备与表征。采用水热法合成了不同钒掺杂量的V-MBG,考察了钒在MBG中的存在形态及钒对MBG形貌、介孔结构以及组成成分的影响。结果表明,钒主要以五价钒的形式进入MBG的硅氧网络,部分钒生成CaV物种嵌入硅氧网络。钒掺入提高了 V-MBG中钙的含量,降低了硅含量。同时,钒掺入显著减小了 V-MBG的比表面积与介孔孔体积,这可能是钒掺入影响材料合成过程中P123胶束化以及降低了合成过程中的驱动力所致。 (3)不同稀释倍数V-MBG浸提液对rBMSCs成骨分化影响。结果表明,稀释倍数高于16倍时,稀释后V-MBG浸提液在3 d时明显促进了 rBMSCs的增殖。稀释后的1V-MBG浸提液在3 d时较相同稀释倍数下的MBG浸提液促进了 COL-1蛋白的分泌,并在7 d时显著促进了 ALP和OCN蛋白的分泌,表明稀释后的V-MBG浸提液具有良好的促rBMSCs成骨分化能力。 (4)钒离子及V-MBG浸提液对WNT/β-catenin信号通路相关基因表达的影响。采用含五价钒的培养基、稀释64倍的MBG浸提液和1V-MBG浸提液,初步验证了五价钒离子促进rBMSCs成骨分化的分子机制。结果表明,含五价钒培养基、稀释64倍的MBG浸提液和1V-MBG浸提液较对照组均明显促进了WNT/β-catenin信号通路相关基因(WNT 3a、β-catenin及AXIN)的表达,且1V-MBG浸提液较含五价钒培养基以及MBG浸提液表现出更明显的上调WNT/β-catenin信号通路相关基因表达。表明钒与MBG中的钙、硅和磷离子共同作用促进WNT/β-catenin成骨信号通路的表达。 综上所述,钒在MBG中主要以五价钒的形式进入硅氧网络,部分钒生成CaV物种嵌入硅氧网络,在生理环境中,掺入的钒可持续释放,与钙、硅和磷离子协同,通过WNT/β-catenin成骨信号通路促进rBMSCs增殖与成骨分化。