鈉鉀泵在磷酸鈣陶瓷骨誘導過程中的作用及其機制研究

《鈉鉀泵在磷酸鈣陶瓷骨誘導過程中的作用及其機制研究》是依託四川大學，由楊曉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鈉鉀泵在磷酸鈣陶瓷骨誘導過程中的作用及其機制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊曉
• 依託單位：四川大學

項目摘要

磷酸鈣基陶瓷材料的骨誘導能力已被廣泛接受並實際套用於臨床骨修復，但其骨誘導能力的細胞和分子生物學水平機理尚未明確。大量文獻和前期研究結果表明，鈉鉀泵的表達量和活性與機體的成骨能力和骨誘導途徑密切相關。本項目著眼於材料降解及吸收這一初始細胞事件，擬以耗能鈉鉀泵為切入點，基於科學事實提出一種全新的鈉鉀泵介導的鈣、磷離子跨膜轉運模型。並以此為基礎，以研究鈉鉀泵在骨誘導過程中的作用和機制為目的，通過製備不同降解速率和骨誘導性的磷酸鈣材料，初步探索激活鈉鉀泵離子轉運功能的材料學因素；採用多種生化手段調節鈉鉀泵的活性，結合先進的細胞分子生物學技術、影像學及納米壓痕力學測定技術，從體內外實驗角度考察鈉鉀泵的離子轉運功能與間充質幹細胞的增殖、黏附、成骨分化以及材料異位成骨能力之間的聯繫和作用機制。為進一步從細胞和分子水平去深入認識和揭示生物材料骨誘導機制提供實驗和理論基礎。

結題摘要

多孔磷酸鈣陶瓷的骨誘導性已經被廣泛證實，然而其骨誘導機理至今尚未闡明。本項目基於基因晶片結果中關於鈉鉀泵及其調控因素的差異表達，重點考察了鈉鉀泵（NKA）這一特殊膜功能蛋白是否在磷酸鈣骨誘導過程中具有介導作用。項目組首先以體外干擾鈉鉀泵的基因表達和抑制/激活其蛋白活性來考察這些變化對BCP陶瓷促MSCs成骨分化的影響；其次，在BCP陶瓷植入小鼠肌肉後，有效調節小鼠體內鈉鉀泵活性，考察了鈉鉀泵的活性對BCP陶瓷誘導骨生成的影響。 體外BCP陶瓷與MSCs共培養體系實驗中，項目組檢測到BCP陶瓷在與MSCs接觸後6小時內 MSCs中成骨基因、鈉鉀泵、鈉鈣泵的表達的顯著上調。隨後，以NKA的活性抑制劑（ouabain）和激活劑（DR-Ab）來調控MSCs中NKA的活性。通過western blot實驗，本研究發現：① DR-Ab在有效提高細胞膜上功能性NKA比例的同時，還增加了MSCs的骨鈣素（OCN）分泌；② 本文首次檢測到，BCP陶瓷材料本身具備增強NKA活性的作用；③ 蛋白磷酸酶2 （PP2A）在DR-Ab激活NKA，以及之後的促成骨分化作用中必不可少。體內研究中，為考察干擾NKA活性對BCP陶瓷誘導骨生成的影響，在小鼠肌肉內植入BCP陶瓷後，採取定期系統性注射NKA活性干擾劑。植入後5個月，H&E染色觀察顯示，各組樣品中BCP+DR-Ab組新骨生成面積最多。項目組還對體內實驗的樣品在植入前後進行了Micro-CT掃描，結果顯示植入5個月後，BCP+DR-Ab組材料表面結構崩解最多，孔徑變大，孔隙率增大，但孔壁增厚，密度變大。說明這組材料本身降解較多，但其新生骨也較多，骨沿孔壁延伸，增加了孔壁厚度，從而彌補了材料的降解，從整體增加了密度。體內實驗多種檢測手段一致顯示，激活鈉鉀泵有利於磷酸鈣陶瓷的骨誘導發生。 綜上所述，本項目針對鈉鉀泵的體內外研究首次發現，骨誘導性磷酸鈣可提高MSCs中鈉鉀泵的基因表達和活性，改變鈉鉀泵在細胞內和膜上的聚集和分布。通過特異性抗體作用增強鈉鉀泵的活性，結果有利於細胞成骨分化及體內材料非骨部位植入後骨誘導的發生。鈉鉀泵的表達及其活性、細胞分布在磷酸鈣骨誘導過程中具有重要作用。