HGF基因修飾BMSCs治療早期股骨頭缺血性壞死的研究.pdf

1、股骨頭缺血性壞死（avascularnecrosisofthefemoralhead，ANFH）是臨床多發(fā)病和常見病，致殘率極高，多見于20-50歲青壯年，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量和勞動能力，給社會和家庭造成巨大負擔(dān)。據(jù)世界衛(wèi)生組織不完全統(tǒng)計，全世界約有3000萬人患有此病;我國患者約500-750萬，每年新發(fā)病例15-20萬，發(fā)病率呈逐年上升趨勢。ANFH目前尚無特效療法，已成為世界醫(yī)學(xué)界亟待攻克的難題。尋找新的有效的早期治療方法、保存

2、自身股骨頭顯得尤為重要，其潛在的社會和經(jīng)濟效益不言而喻。
　　 不論何種病因引起的ANFH，其根本原因是存在骨內(nèi)壓升高→血供障礙這一惡性循環(huán)。一般認(rèn)為本病是一不可逆過程，因此，ANFH的治療策略應(yīng)該是早期治療，降低骨內(nèi)壓、改善股骨頭血供，打破惡性循環(huán)，同時進行壞死區(qū)骨質(zhì)修復(fù)。利用血管生長因子誘導(dǎo)新血管生成和側(cè)枝循環(huán)建立，是打破ANFH病理惡性循環(huán)最有效的手段，這也為ANFH治療提供了新的研究方向。
　　 血管生長因子是一

3、組可以誘導(dǎo)血管生成的細胞因子。不同的血管生成因子具有不完全相同的生物學(xué)活性，因此，選擇何種血管生長因子至關(guān)重要。肝細胞生長因子（hepatocytegrowthfactor,HGF）由間質(zhì)細胞產(chǎn)生，具有很強的促血管內(nèi)皮細胞(vascularendothelialcells,VECs)增殖和促血管生成作用，并可抑制細胞凋亡和減輕組織纖維化，已在治療缺血性心臟病和肢體動脈閉塞等疾病中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，有望成為治療ANFH理想的血管生長因

4、子。
　　 骨髓基質(zhì)干細胞（bonemarrowmesenchymalstemcells，BMSCs）是一種由骨髓中分離獲得的具有多種分化潛能的間質(zhì)干細胞，是體內(nèi)參與組織再生和修復(fù)的重要干細胞成分之一，取材方便，易于被外源基因轉(zhuǎn)染，同時還能分泌大量的促細胞和血管生長因子，其成分中含有骨祖細胞，具有良好的向成骨細胞分化的潛能。此外，BMSCs不具免疫原性，因此同種異體移植無免疫排斥反應(yīng)，被認(rèn)為是骨組織工程近階段最有希望應(yīng)用于臨床的

5、種子細胞。目前，用BMSCs治療早期ANFH已顯示出誘人的應(yīng)用前景。
　　 將基因治療和干細胞移植治療相結(jié)合，用HGF基因修飾BMSCs治療ANFH，比單用BMSCs具有明顯的優(yōu)勢，表現(xiàn)在:(1)BMSCs在發(fā)揮其成骨能力的同時分泌HGF，誘導(dǎo)新血管生成，改善股骨頭血供;(2)HGF對BMSCs有趨化作用，局部高分泌的HGF可使BMSCs“停留”在壞死區(qū)局部，利于其向成骨細胞分化;(3)HGF能抑制BMSCs凋亡，其誘生的血管可

6、改善移植細胞的生存環(huán)境，提高BMSCs移植存活率，進而提高治療效果。
　　 本課題將基因治療、干細胞移植、組織工程技術(shù)有機結(jié)合，以HGF為目的基因、以BMSCs為靶細胞，借助AdMax腺病毒載體系統(tǒng)，將HGF基因轉(zhuǎn)入BMSCs;再以其為種子細胞，經(jīng)髓芯減壓隧道移植到股骨頭壞死區(qū)，用于治療早期ANFH。在減壓的同時，移植細胞分泌的HGF誘導(dǎo)局部新血管生成和側(cè)枝循環(huán)建立，改善股骨頭血供;BMSCs在局部微環(huán)境誘導(dǎo)下向成骨細胞分化，修

7、復(fù)壞死區(qū)骨質(zhì)，這種集減壓、血管生成和骨質(zhì)重建一體化的治療技術(shù)，為ANFH治療提供了一種全新的模式。
　　 目的：
　　 在體外探討HGF調(diào)節(jié)BMSCs增殖與成骨分化活性的方式與機制的基礎(chǔ)上，評價HGF基因修飾BMSCs治療早期激素性和創(chuàng)傷性ANFH的療效，并初步探討發(fā)病與治療的分子機理。
　　 方法：
　　 1、分離培養(yǎng)與鑒定兔BMSCs
　　 取4-8周齡健康新西蘭大白兔，麻醉后，于雙側(cè)髂后上棘

8、行穿刺法抽吸骨髓，抗凝處理后低速離心去上清，以10％FBS-低糖DMEM培養(yǎng)液重懸培養(yǎng)，3d時換液去除未貼壁細胞，其后每3d換液1次;待細胞匯合成單層后消化，傳代細胞培養(yǎng)至第二代備用。
　　 采用誘導(dǎo)培養(yǎng)基體外誘導(dǎo)BMSCs向成骨細胞、成軟骨、脂肪細胞分化。培養(yǎng)12和24天后，磷酸苯二鈉基質(zhì)(NBT-BCIP)法染色和茜素紅(AR-S)染色以檢測成骨分化水平;培養(yǎng)27天后，阿利新藍染色以檢測成軟骨分化水平，油紅O染色以檢測成脂分

9、化水平;同時以qPCR法檢測BMSCs標(biāo)志基因Vimentin、成骨細胞標(biāo)志基因Runx2、成軟骨細胞標(biāo)志基因SOX9與脂肪細胞標(biāo)志基因PPAR-γ3mRNA的表達水平。
　　 2、體外檢測HGF調(diào)節(jié)BMSCs增殖與分化活性的方式與機制
　　 在成骨誘導(dǎo)環(huán)境中，以低濃度(20ng/mL)和高濃度(100ng/mL)的HGF處理BMSCs，EdU摻入法檢測細胞增殖，WST-8法檢測細胞活性;NBT-BCIP法行堿性磷酸酶(

10、Alkalinephosphatase，ALP)染色，AR-S法檢測鈣結(jié)節(jié)的形成。Western和qPCR檢測HGF受體c-Met、細胞分化開關(guān)分子——細胞周期抑制分子p27和成骨分化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子Runx2與Osterix的表達;以ERK信號通路特異性抑制劑PD98059(30μM)或Akt信號通路特異性抑制劑Wortmannin(100nM)預(yù)處理兔BMSCs1h，Western檢測信號通路活化水平及其對BMSCs增殖與分化的影響。<

11、br>　　 3、重組腺病毒Ad-HGF轉(zhuǎn)染兔BMSCs，檢測HGF的表達和活性
　　 重組腺病毒Ad-HGF在293細胞中擴增、氯化銫法超離純化，TCID50法測定感染性滴度，然后感染BMSCs，RT-PCR、原位雜交、免疫組化檢測轉(zhuǎn)染后細胞中HGF的轉(zhuǎn)錄和表達。
　　 4、兔早期激素性ANFH造模與檢測
　　 采用馬血清注射造成兔過敏性血管炎，再應(yīng)用大劑量腎上腺糖皮質(zhì)激素（醋酸潑尼松龍），誘導(dǎo)兔激素性ANFH

12、。4周后利用DR、CT、MRI、動脈墨汁灌注造影、病理切片HE染色、免疫組化等多種方法，觀察ANFH的影像及病理變化。
　　 5、HGF基因修飾BMSCs治療兔早期激素性ANFH的研究
　　 在CT引導(dǎo)下行髓芯減壓術(shù)，將HGF基因修飾BMSCs經(jīng)減壓隧道移植入兔早期激素性ANFH模型壞死區(qū)。治療后4周，利用DR、CT、MRI、動脈墨汁灌注造影、病理切片HE染色、免疫組化等多種檢測手段評價療效，同時設(shè)置髓芯減壓組為對照。<

13、br>　　 為探討其機理，以腺病毒空載體轉(zhuǎn)染BMSCs和未轉(zhuǎn)染BMSCs為對照，術(shù)后4周，病理切片HE染色評價療效;術(shù)后2天、2周、4周取材，qPCR檢測p27、Runx2與OsterixmRNA的表達，免疫組化檢測HGF、p-ERK1/2、p-Akt的表達。
　　 6、兔早期創(chuàng)傷性ANFH造模與檢測
　　 采用截斷股骨頸的方法造模:逐層切開表皮與肌肉，打開關(guān)節(jié)囊，切斷股骨頭周圍、含圓韌帶在內(nèi)的血管與韌帶，截斷股骨頸基

14、底部，使股骨頭斷端分離3-5min后復(fù)位，逐層縫合。術(shù)后3天、1周、2周、3周，利用CT、MRI、病理切片HE染色、免疫組化等多種方法，觀察ANFH的影像及病理變化。
　　 7、HGF基因修飾BMSCs治療兔早期創(chuàng)傷性ANFH的研究
　　 創(chuàng)傷后1周，在CT引導(dǎo)下行髓芯減壓術(shù)，將HGF基因修飾BMSCs經(jīng)減壓隧道移植入兔早期創(chuàng)傷性ANFH模型壞死區(qū)，然后用小夾板固定截斷股骨頸。術(shù)后4周，利用病理切片HE染色、免疫組化等手

15、段評價療效，同時設(shè)置腺病毒空載體轉(zhuǎn)染BMSCs和未轉(zhuǎn)染BMSCs為對照。
　　 為探討其機理，術(shù)后2天、2周、4周取材，免疫組化檢測HGF、p-ERK1/2、p-Akt的表達。
　　 8、統(tǒng)計學(xué)分析
　　 所有計量資料結(jié)果用(x)±s表示。EdU法檢測信號通路抑制劑處理后BMSCs增殖、WST-8法檢測BMSCs活性、NBT-BCIP法檢測ALP活性、AR-S染色法檢測信號通路抑制劑處理后BMSCs鈣結(jié)節(jié)形成、q

16、PCR檢測成骨誘導(dǎo)環(huán)境中不同劑量HGF對c-Met、Osterix、Runx2與p27mRNA表達水平的長期影響、IHC檢測體內(nèi)HGF、p-ERK1/2與p-Akt表達水平采用析因設(shè)計資料的方差分析;EdU法檢測未施信號通路抑制劑處理的BMSCs增殖、AR-S染色法檢測鈣結(jié)節(jié)形成、骨髓細胞與股骨頭骨髓的面積比、空骨陷窩率、IHC檢測體內(nèi)vWF、CD105、PCNA、ColⅠ、OCN與VEGF的表達應(yīng)用單因素方差分析(One-WayANO

17、VA)，方差不齊時用Welch校正，在差異顯著的前提下進行多重比較，方差齊時采用LSD法，方差不齊時采用Dunnett'sT3法。檢驗水準(zhǔn)α=0.05，雙側(cè)檢驗。采用SPSS16.0forwindows統(tǒng)計軟件包進行數(shù)據(jù)分析。
　　 結(jié)果：
　　 1、成功培養(yǎng)出具有多向分化潛能的兔BMSCs
　　 骨髓穿刺法分離、貼壁法純化成功培養(yǎng)出兔BMSCs，染色法與qPCR檢測證實兔BMSCs具有多向分化潛能，可分化為成骨

18、細胞、成軟骨細胞與成脂細胞。
　　 2、體外探討HGF調(diào)節(jié)BMSCs增殖與分化活性的方式與機制
　　 ①HGF體外調(diào)節(jié)BMSCs增殖與分化的活性
　　 EdU摻入法與WST-8法檢測細胞增殖活性，NBT-BCIP法與AR-S法檢測細胞成骨分化。結(jié)果表明，100ng/mLHGF在成骨誘導(dǎo)環(huán)境中促進BMSCs增殖而抑制其向成骨細胞分化，而20ng/mLHGF對BMSCs增殖有所抑制，但顯著促進其向成骨細胞分化。

19、>　　 ②機制研究1:不同劑量HGF對其受體c-Met的表達調(diào)控
　　 20ng/mLHGF顯著提高c-Met的表達與活化水平，而100ng/mLHGF則部分抑制c-Met的表達，且對c-Met的活化效應(yīng)明顯低于20ng/mLHGF。提示不同劑量HGF通過誘導(dǎo)其受體的不同表達與活化水平而產(chǎn)生不同的效應(yīng)。
　　 ③機制研究2:不同劑量HGF對ERK與Akt信號通路活化水平的影響
　　 100ng/mLHGF通過活

20、化ERK通路、抑制Akt通路活化以顯著促進BMSCs的增殖而抑制其成骨分化;20ng/mLHGF則抑制ERK通路、活化Akt通路，從而顯著促進BMSCs的成骨分化，但對細胞增殖的促進效應(yīng)低于100ng/mLHGF的作用效果。提示不同劑量HGF通過活化不同信號通路而產(chǎn)生不同效應(yīng)。
　　 ④機制研究3:不同劑量HGF對分化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達調(diào)控
　　 在成骨誘導(dǎo)環(huán)境中，20ng/mLHGF顯著促進BMSCs中p27的表達，并

21、通過提高Osterix與Runx2的表達以促進BMSCs的成骨分化;而100ng/mLHGF對p27的表達具有抑制效應(yīng)，成骨分化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達也受到抑制。提示不同劑量HGF通過調(diào)控p27、Osterix與Runx2的表達而產(chǎn)生不同的效應(yīng)。
　　 3、Ad-HGF轉(zhuǎn)染的BMSCs表達高水平HGF
　　 Ad-HGF感染性滴度為2.6×1010TCID50/mL。轉(zhuǎn)染后的BMSCs在mRNA和蛋白水平均有HGF表達。

22、r>　　 4、成功建立兔早期激素性ANFH模型
　　 DR、CT、MRI、動脈墨汁灌注造影、病理切片HE染色檢測結(jié)果表明，激素注射后4周，成功制備出兔早期激素性ANFH模型。免疫組化檢測新生血管指標(biāo)-CD105和組織修復(fù)指標(biāo)-Ⅰ型膠原(ColⅠ)，結(jié)果提示:激素造模后，股骨頭血管生成受抑，成骨反應(yīng)逐漸減弱，無自身修復(fù)現(xiàn)象，4周發(fā)展為早期激素性ANFH。
　　 5、HGF基因修飾BMSCs治療兔早期激素性ANFH的研究<

23、br>　　 ①療效評價:
　　 影像學(xué)和病理組織學(xué)檢查結(jié)果表明，治療組可顯著促進壞死區(qū)血管再生和骨質(zhì)重建，DR顯示治療側(cè)股骨頭骨紋理較清楚;CT示點狀低密度影數(shù)量減少;MRI示點線狀高信號影不明顯;動脈墨汁灌注造影顯示軟骨下血管重建，干骺端大血管恢復(fù);病理切片HE染色結(jié)果顯示骨小梁排列基本規(guī)則，骨基質(zhì)量增多，空骨陷窩少，骨小梁骨板上可見新生毛細血管，邊緣有大量成骨細胞，骨髓中造血組織基本恢復(fù)。
　　 ⑦體內(nèi)實驗機理研究

24、:
　　 HGF基因修飾BMSCs治療組p27、Runx2與Osterix的表達水平最高，表達高峰在移植后2周。HGF的表達水平在ANFH模型組中顯著降低，但在HGF基因修飾BMSCs治療組中達到最高峰，表達高峰出現(xiàn)在移植后2天，ERK1/2信號通路活化水平隨之增加，之后二者表達水平逐漸降低。2周后p-Akt的水平逐漸增高，表達峰值出現(xiàn)在移植后4周。上述結(jié)果表明，HGF基因修飾BMSCs的HGF表達水平具有與體外相同的變化趨勢，

25、并通過與體外相同的機制，即由腺病毒載體介導(dǎo)的HGF體內(nèi)濃度的有序改變來調(diào)控BMSCs增殖與分化，發(fā)揮促組織修復(fù)與再生的功能。
　　 6、成功建立兔早期創(chuàng)傷性ANFH模型
　　 影像學(xué)與病理組織學(xué)檢查結(jié)果表明，術(shù)后3周，成功制備出處于臨床ARCOⅠ-Ⅱ期的兔早期創(chuàng)傷性ANFH模型。病理組織學(xué)檢查可見骨組織與血管系統(tǒng)發(fā)生明顯的壞死病變，同時，創(chuàng)傷后2周內(nèi)可見明顯的組織自我修復(fù)。CD105、ColI、OCN和PCNA免疫組化檢

26、測結(jié)果顯示，手術(shù)截斷股骨頸后，股骨頭血管生成受抑，組織損傷顯著，術(shù)后3天有一定程度的自身修復(fù)，之后由于血運阻斷，修復(fù)失敗，3周發(fā)展為早期創(chuàng)傷性ANFH。
　　 7、HGF基因修飾BMSCs治療兔早期創(chuàng)傷性ANFH的研究
　　 病理組織學(xué)檢查結(jié)果表明，HGF基因修飾BMSCs可顯著促進創(chuàng)傷組織的恢復(fù)，免疫組化檢測到ColI的表達模式與未治療組相反，提示成骨細胞活性增加，同時在治療組動物中VEGF與CD105表達上調(diào)，提示新

27、生血管的發(fā)生，進一步證實了BMSCs的療效。HGF在其中以類似于在激素性ANFH中的機制對BMSCs活性進行調(diào)節(jié)，從而促進其修復(fù)創(chuàng)傷組織的功能。
　　 結(jié)論：
　　 1、獲得高表達人HGF基因的BMSCs，為其用于早期ANFH的治療奠定基礎(chǔ)。
　　 2、成功誘導(dǎo)了兔早期激素性和創(chuàng)傷性ANFH模型，為進一步研究其發(fā)病機理、發(fā)展新的有效的早期治療方法提供了基礎(chǔ)，為將來評估新療法的療效提供了適宜的平臺。