基于血管化机制构建萎缩型骨不连类器官芯片与初步实验研究

作者：胡衍; 张浩; 刘晗; 周晨阳; 刘金龙; 李啸群; 崔进; 周启荣; 王晓林; 陈晓; 王栋梁; 苏佳灿^*

来源：中华骨科杂志, 2023, 43(24).

• 骨折, 不愈合
• 类器官
• 新生血管化, 病理性
• 器官芯片

目的构建基于血管化机制的骨不连类器官芯片, 并探讨无菌性骨不连发生机制。方法设计半开放微流控芯片, 实现人骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stromal cells, BMSC)、人胚肺成纤维细胞(human fetal lung fibroblast 1, HFL1)与人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells, HUVEC)共培养, 建立三维器官芯片体系。设置HFL1与HUVEC不同比例与BMSC共培养, 分为对照组(HFL1∶HUVEC=1∶1)、纤维化组(HFL1∶HUVEC=3∶1)与血管化组(HFL1∶HUVEC=1∶3)。通过碱性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)、茜素红(alizarin red)染色观察BMSC成骨分化情况, qPCR分析成骨标志基因SP7、RUNX2、ALPL、BGLAP及血管化相关基因KDR、VWF转录情况, Western blot检测成骨标志蛋白RUNX2和ALP表达水平。结果 BMSC、HFL1和HUVEC共培养体系中BMSC正常生长且出现明显生物矿化行为, 血管内皮细胞能够形成有序血管结构, 证实体系构建成功。相较对照组, 纤维化组BMSC成骨分化下降趋势不明显, 矿化标志基因ALPL和BGLAP相对表达量为0.55±0.19、0.42±0.27, 差异均有统计学意义(P<0.05);血管化组基因KDR和VWF下调, 相对表达量为0.49±0.17、0.49±0.21, 差异均有统计学意义(P<0.05)。相较对照组, 血管化组BMSC成骨分化基因SP7、RUNX2、ALPL和BGLAP上调, 相对表达量分别为2.91±0.52、3.83±1.87、3.22±1.29和5.21±1.46, 差异均有统计学意义(P<0.05);血管化基因KDR、VWF上调, 相对表达为8.24±2.84、5.32±1.67, 差异均有统计学意义(P<0.05)。Western blot结果表明RUNX2、ALP在血管化组中表达增加, 纤维化组中表达减少。结论骨不连类器官芯片能够部分模拟骨不连局部微环境, 纤维化可能导致骨形成能力和血管化水平显著下降, 是无菌性骨不连发生的潜在重要原因。

• 单位
  上海交通大学; 上海大学; 上海长海医院; 转化医学研究院