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经磁场和磁性纳米粒子预处理间充质干细胞后的外泌体

  通常状况,外伤、肿瘤或感柒会造成大面积的骨缺损,如何治疗依然是骨科医生面临的很大挑戰。骨缺损严重延迟愈合时间甚至不愈合,损害着病人的肌肉组织和骨骼功能。

  现阶段,骨修复的标准临床医学治疗方法是自体和同种异体骨移殖。但具有一定的局限性,如供应不够、供者引起的并发症、疾病散播的隐患等。骨组织工程(包含生物支架、细胞和生长因子)的发生,为摆脱这种局限性提供了一种很有前途的方式,近些年引起了学者的广泛关注。

  1基本知识详细介绍

  间充质干细胞外泌体和血管再生血管生成成在成骨中十分重要。由于供养和供氧不可以离开血管周围200μm以内,不然沒有良好的血供,细胞就活不下去,新骨自然遭受阻碍。因此,高效率的血管转化成针对骨形成再生是十分有必要的。骨髓间充质干细胞(BMSCs)是促进成骨和血管再生的潜在性治疗剂。前期研究表明,在磁性条件下培养的BMSCs产生的外泌体可促进伤口愈合。

  外泌体是一种直徑为30-150nm的细胞外囊泡,具有与独特的介导细胞间通信和相互影响。间充质干细胞外泌体(MSC-Exos)在组织恢复和再再中起着重要功效,同时可以防止干细胞移植风险性和免疫反应,在贮存和输送领域也相对非常容易。

  磁性纳米粒子

  磁性纳米粒子(MNPs)在骨组织工程项目中具备不确定性的使用价值(磁性材料如γ-Fe2O3和Fe3O4),可促进成骨和血管转化成。研究发现,经静磁场(SMF)刺激的种植体,可增进骨愈合。科学研究还说明,SMF还可改进牙牙齿种植体周围的骨再造。小剂量的MNPs是可靠有效的,已经被FDA准许用以治疗贫血。研究发现,假如氧化铁纳米粒子(IONPs)注入到堵塞的心脏中,经磁引导可降低细胞坏死和纤维化,并提高血管生成功能和有利于心脏功能修复。

  在骨缺损修复治疗过程中,假如磁性纳米粒子结合外泌体应用,也许会具有更快的治疗效果。假如同时用静电磁场解决一下呢,是否效果更棒?

  2磁场或磁材料影响下的干细胞外泌体,近日,中国医科院北京协和医院吴志宏、邱贵兴、王海课题组报导了一项科研成果,经磁场或小剂量磁性纳米粒子展开预处理骨髓间充质干细胞得到的外泌体,可在骨再生过程中促进成骨和促进血管转生成。此项工作为未来组织工程的骨再生提供一种新的计划方案。

                                            此项科学研究刊登在Journal of Nanobiotechnology上。
      

  研究思路

  1.通过带磁纳米颗粒和/或静磁场刺激预处理BMSCs,得到二种新型外泌体,并展开评定。2.开展体外实验,测定了外泌体促进细胞的增殖、细胞迁移、成骨分化合成血管状况。3.展开体内实验,测定外泌体对头骨缺损大鼠模型的成骨合成血管状况。

  4.比较外泌体中的miRNA图普,讨论其促进成骨合成血管可能的机制。

  5.通过体外作用获得和缺失试验,验证第4步的猜想。

  体外实验

                                     静磁场刺激BMSCs后的外泌体成骨能力提高

   

                                              磁场刺激BMSCs后的外泌体合成血管能力提高


体外实验证实,选择50µg/mL Fe3O4纳米颗粒和100 mT SMF是制造二种新外泌体(BMSC-Fe3O4-Exos和BMSC-Fe3O4-SMF-Exos)的最好磁性条件。与BMSC-Exos对比,这二种新外泌体在体外被证实可提高成骨和血管生成,其中BMSC-Fe3O4-SMF-Exos效果最明显。

  动物实验

  体内功能试验

  大鼠头骨缺损模型试验证实,与BMSC-Exos对比,二种新式外泌体在大鼠模型里被证实更有益于提高成骨和血管生成能力,其中BMSC-Fe3O4-SMF-Exos效果最明显。

  外泌体促进骨再生的可能机制

  BMSC-Fe3O4-SMF-Exos促进成骨成血管机制

体外和体内试验均表明,BMSC-Fe3O4-SMF-Exos比BMSC-Exos更有效地促进成骨和血管生成。这类促进作用与BMSC-Fe3O4-SMF-Exos中高度丰富的miR-1260a相关。

  在此项探究中,研究发现经Fe3O4纳米颗粒与SMF联合处理的BMSCs释放的外显子中miR-1260a的丰度明显提升,而且研究表明BMSCs和HUVECs可以吸收BMSC-Fe3O4-SMF-Exos。除此之外,miR-1260a分别通过抑止HDAC7和COL4A2来提高成骨和血管生成。

  3总结本研究证实,经小剂量磁性纳米粒子(Fe3O4纳米颗粒)与静磁场预处理间充质干细胞后形成的外泌体,可提高自身的成骨和血管生成成能力,在骨缺损的治疗过程中有益于新骨再生。究其机制,可能是外泌体中miR-1260a靶向HDAC7和COL4A2在骨再生过程中起着重要的功效。此项分析为组织工程促进骨再生提供了一种新的方式。

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