华西口腔医学杂志第34卷第2期2016年4月 http://www.hxkqyxzz.West China Journal ofStomatology Vo1.34 No.2 Apr.2016 net ・125" Runt相关基因2修饰的骨髓间充质干细胞 促进兔下颌骨牵张成骨的研究 冯桂娟-郑科-宋冬惠-吴森斌-祝颂松z胡静: 1.南通大学附属医院口腔科,南通226001; 2.口腔疾病研究国家重点实验室华西口腔医S-fi-颌与关节外科(四川大学),成都610041 I摘要】 目的 探 ̄Runt相关基因2(Runx2)修饰的自体骨髓间充质干细胞(MSCs)促进兔下颌牵张成骨新骨形 成的可行性。方法 将48只成年雄性新西兰大白兔随机分为3组:A组为Runx2重组质粒组,B组为不含Runx2重组 质粒组,c组为生理盐水对照组。建立兔下颌牵张成骨模型;于牵张的第5天,A组兔牵张间隙内注射转染重组质粒 adv—hRunx2-gfP的自体骨髓MSCs;B组注射转染adv-gfp质粒的自体骨髓MSCs;C组注射同体积生理盐水。在牵张 结束后第8周处死所有动物,进行大体、影像学、组织学观察和三点弯曲测试。结果 cT平扫及组织学结果表明, A组牵张间隙内新骨形成和骨痂密度均明显高于B、C组;双能x线及三点弯曲测试表明,A组牵张间隙内新生骨组 织密度、新生骨矿物质含量及最大载荷均高于B、c组(P<0.01)。结论 基于MSCs的Runx2体外基因治疗可有效 地促进牵张成骨新骨形成,从而缩短固定期,为临床颅颌面骨缺损的重建提供一个极具价值的修复策略。 【关键词l Runt ̄关基因2; 间充质干细胞; 下颌骨; 牵张成骨 I中图分类号l R 782.2 I文献标志码l A ldoil 10.7518/hxkq.2016.02.004 Mesenehymai stem cells modified with Runt-related transcription factor 2 promote bone regeneration in rabbit man- dibular distraction osteogenesis Feng GuUuan1.Zheng Kel,song Donghuii.Wu Senbin1.Zhu Songsonge,Hu Jinge.《1. Dept.ofStomatology,The AfifliatedHospital fNantoong University,Nantong 226001,China;2.State Key Laboratory f oOralDiseases,Dept.ofOrthognathic andTemporomandibularJointSurgery,West ChinaHospitalofStomatology,Sichuan Universiyt,Chengdu 610041,China) Supportedby “TopSix Types fTaloents”FinancialAssistanceJiangsuProvince Grant(2013一WSW-048).Correspondence: Song DonghuL E-mail:sdh527@163.corn. [Abstractl Objecfive This work investigated mesenchymal stem cells(MSCs)modiifed with Runt—related transcription factor 2(Runx2)therapy for bone regeneration in rabbit mandibular distraction osteogenesis.Methods Forty—eight New Zealand mature whie rabbitts were randomly divided into three groups after the rabbit model of mandibulr diastraction osteo- genesis was established:reconstruction plasmid modiifed with Runx2(group A】,plasmid without Runx2(group B),and the same dose of saline as control(roup gC).At the iffth day of disrtaction phase,MSCs with reconstruction plasmid modiifed with adv-hRunx2一gfP were injected into the disrtaction gap of roup gA.MSCs with reconstruction plasmid modiifed wih tadv-gfP was injected into the disrtaction gap ofgroup B.whereas rougp C was injcotd ewith the same dose ofsalne.Ati 8 weeks after injection,all niamals were sacriifced,and he tdistracted mandibles were harvested.The general imaging histolo— gical observation and three-point bending test were used for evaluation.Results CT plain scan and histological analysis confLrmedthattheamountofnewboneforminginthedistractiongap ofgroupAwag signiifcantlyhihertghanthoseingroups B and C.Dual-energy X ray and three-point bending test results also showed that the bone mineral density,bone mineral content,and maximum load of the distraction gap of group 【收藕日期1 2015—06—16;I修l-=IEl期1 2015—09—18 A were signiicafntly higher than those ofgroups B and C 【基金项目】江苏省“六大人才高峰”基金(2013.WSW-048) 【作者简介J冯桂娟,住院医师,硕士,E-mail:fengguijuan2013@126 tom fP<0.0 1).Conclusion Runx2一ex vivo gene therapy based on MSCs can effectively promote the bone regeneration in rabbit mandibulr distaraction osteogenesis and shorten the l通信作者】宋冬惠,副教授,博士,E-aiml:sdh527’@163.tom ・126・ 华西口腔医学杂志第34卷第2期2016年4月 West China Journal ofStomatology Vo1.34 No.2 Apr.2016 http://www.hxkqyxzz.net stationary phase.Therefore,reconstruction of craniofacial fracture would be a valuable strategy. IKey wordsl Runt—related transcription factor 2;mesenchymal stem cells;mandibular;distraction osteogenesis 内源性骨组织工程的牵张成骨最初在矫正肢体 长度差异的矫形手术中得到广泛应用,随后被用于 治疗颅面短小症和颌骨缺损。牵张成骨术是利用骨 的自身愈合来增加新骨的一种方法。该技术通过牵 张装置,使骨切开处的骨组织受到缓慢而稳定的牵 引和张力,从而达到增长或伸直骨骼的目的。与传 统骨移植方法相比,牵张成骨能够避免植骨区骨吸 收以及供骨区功能障碍等一系列并发症,且这种技 术能够实现周围软组织的三维空问生长并行延长。 疗程长以及可能的纤维性愈合或不愈合是阻碍牵张 成骨广泛应用于临床的主要因素[1]。Runt ̄H关基因2 (Runt.related transcription factor 2,Runx2)编码的 核蛋白在成骨细胞分化和骨形成过程中起重要作用, 并参与骨骼基因的表达和调控。研究l2J表明,Runx2 在体内可以有效诱导成骨细胞的增殖分化和促进新 骨生成的质量和数量。因此,促进Runx2的表达可 能是一个有效促进骨形成的治疗途径。骨髓问充质 干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)能在体外 分化为成骨细胞和软骨细胞,在体内促进骨形成, 已成为骨组织工程的主要细胞来源【3j。本研究拟采 用Runx2基因修饰的MSCs来促进下颌骨牵张成骨过 程中的新骨生成,缩短治疗周期,从而为临床运用 Runx2体外基因治疗促进牵张成骨新骨形成的可行 性提供实验依据。 l材料和方法 1.1材料 48只成年雄性新西兰白色家兔,体重2. 3.0 kg。 实验动物的喂养与使用遵守南通大学动物伦理委员 会的有关规定。48枚单边纯钛钉、外固定牵张器由 本课题组与四川大学华西口腔医院共同设计和研制。 牵张器最大牵张距离为20 mm,螺距1.0 mm,使用 长35 mm、直径1.8 mm的纯钛螺钉穿皮质骨固定。 CT机(儿CT-80型,ScancoMedicalAG公司,瑞士); 双能x线(dual energy X ray,DXA)骨密度检测仪 (FR216Ⅲ1438型,DMS公司,法国,由四川大学 华西医院提供);INSTRON 5565型生物力学测试系 统(Instron公司,美国,由四川大学口腔疾病研究 国家重点实验室提供);重组腺病毒(由北京本元 正阳基因技术股份有限公司构建);兔Runx2抗体 (上海博研生物工程研究中心);兔Ru似2引物(上 海斯信生物科技有限公司,正向引物5’一GGAATG— CCTCTGCTGTTATG.3’;反向引物5’.GGATTTGT— GAAGACGGTTATGG.3’)。 1.2 MSCs分离、培养与基因转染 采用密度梯度离心法从兔胫骨中分离出骨髓 MSCs进行培养,取第3代的MSCs用于体外基因转 染和体内基因移植。构建携带有人Runx2基因和绿 色荧光蛋白(green fluorescent protein,GFP)复制 缺陷型E1-/E3 腺病毒(adv—hRunx2一gfp),构建只含 有GFP复制缺陷型El。/E3一腺病毒(adv—gfp)。当骨 髓MSCs生长至80%融合时,分别转染adv—hRunx2. gfp和adv—gfp。转染后GFP和Runx2的表达分别经荧 光显微镜和Westem blot及实时定量PCR检测证实。 1.3制备兔下颌骨牵张成骨模型 所有的白兔均行右侧下颌骨牵张成骨。以自制 的纯钛口外牵张装置,截开下颌骨后固定。3 d的延 迟期后以每天2 rnffl的速度逐渐牵张5 d。将48只兔子 随机分为3组,A组为Runx2重组质粒组,B组为不含 Runx2重组质粒组,C组为生理盐水对照组。术后2周 内喂予软质饲料,并每日肌注青霉素预防感染。 1.4基因治疗 在牵张的第5天,A组在牵张间隙内注射含有1× 1 0 个adv—hRunx2一gfp转染的MSCs(重悬于0.1 5 mL生 理盐水中),B组注射含有相同剂量的adv—gfp转染 的MSCs(重悬于0.15 mL生理盐水中),C组仅注 射0.15 mL生理盐水。 1.5标本获取及检测 在牵张结束后第8周动物均被处死,解剖并获取 牵张侧的下颌骨。 1.5.1大体观察观察实验动物的一般表现、伤口愈 合情况、下颌骨牵张区域新骨形成及新生骨与原宿 主骨交界情况。 1.5.2影像学观察各组动物分别行牵张成骨区CT 平扫、DXA检测,并测量下颌骨牵张间隙内的骨密 度(bone mineral density,BMD)及骨矿物质含量 (bone mineral content,BMC),观察延长区新生 骨生长状况。 1.5-3三点弯曲测试每组随机选取8个标本,在生 物力学测试机上采用三点弯曲实验测定牵张区成骨 标本力学性能直到标本破坏,记录标本破坏时的最 大载荷。 1.5.4组织学观察取牵张间隙内新生骨样本,放置 在4%多聚甲醛溶液内固定24 h,EDTA脱钙4周,经 石蜡包埋后切取组织学切片并行苏木精一伊红(hema— 华西口腔医学杂志・128・ 第34卷第2期2016年4月 WestChina Journal ofStomatology Vo1.34 No.2 Apr.2016 http://www.hxkqyxzz.net 颌牵张成骨过程中,5~7 d的延迟期和0.9-1.0 mm・d。 的牵张频率被推荐为最佳牵张方法【4J。本实验采用 快速牵张(短延迟期3 d和快速牵张率2 mm・d。)以 模拟一个匮乏的成骨情况,在牵张结束后8周牵张 间隙内可见较差的或不成熟的骨再生[5]。牵张过程 中在适当的机械刺激下,原始问充质细胞聚集、定 型和增殖并分化为成骨细胞是牵张间隙新骨再生的 关键步骤【5_。牵张间隙骨再生贫乏,要么是原始成 骨细胞聚集和增殖的问题,要么是原始成骨细胞的 分化问题。临床中尤其在原始细胞缺乏或外伤及放 疗后组织受损严重的患者中会出现这些问题[6-71。因 此,在上述情况下需要更多的骨生成时,自体骨髓 MSCs ̄b充成骨细胞似乎是保证牵张区理想骨再生 的一个合理方法。Kitoh等【8.91报道,在牵张成骨的 临床试验中骨髓MSCs的移植能缩短疗程加速新骨 形成以减少并发症的发生。本研究表明,与注射生 理盐水的兔相比,将自体骨髓MSCs注人下颌牵张 间隙可有更多的新骨形成,牵张间隙骨痂组织钙化 更快。局部移植骨髓MSCs ̄将更多的循环干/祖细 胞向损伤区域聚集并有助于愈合f】o】。此外,MSCs 有保持成骨细胞表型谱系和分化成活跃成骨细胞的 潜能,可能会直接分化为成骨细胞。MSCs较容易 从骨髓中隔离和在体外培养。除了直接治疗的潜力 外,MSCs也被广泛用作基因转移的载体。 Runx2是一种可有效上调成骨细胞的基因表达并 促进成骨的骨转录因子14—11 12]。研究【 。5】显示,Runx2 的表达能促进骨膜的骨祖细胞增殖,并且促进MSCs 的成骨向分化,Runx2是膜内成骨和软骨内成骨过 程中所需的生长因子,在成骨细胞分化和骨形成过 程中扮演着重要的角色。局部应用Runx2基因疗法 可以促进新骨形成的质量[ ]。本研究通过影像学、 DXA、组织学检查及生物力学测试表明,Runx2基 因治疗应用于下颌骨快速牵张成骨中可促进新骨生 成的骨诱导效应。Runx2基因传递到牵张间隙的时 间是本实验的关键点,固定早期阶段是成骨最活跃 的时期,在此时大量的骨源细胞和内源性生长因子 在牵张间隙内积聚[171。另一项研究【鸺]表明,在早期 阶段Runx2可促进成骨细胞增殖,但在后期会抑制 成骨细胞的分化和成熟从而导致骨质疏松。因此外 源Runx2基因传递到牵张间隙内的最佳时间应为牵 张期结束。 复制缺陷型重组腺病毒是最有效的基因转移载 体,并且被广泛应用于传递外来基因到细胞内1 。n。 缺陷型腺病毒载体具有高效转导效率和对宿主细胞 的低致病性。此外,这些载体无能力整合到宿主基 因组,从而保证了病毒的整组基因无法复制到宿主 细胞内。治疗基因的表达水平在传递后逐渐下降, 而骨诱导作用最终消失。这些特性规避了可能激活 致瘤基因和通过无限制的转基因表达引起的不利影 响[z 。研究[23-24】表明,含有目的基因的腺病毒能被 直接送人再生点,但其可能诱导异位成骨的生长, 这尚需要进一步的评估。因此本研究选择使用注射 骨髓间充质干细胞为Runx2基因载体而不是直接的 基因传递,结果表明基因转染效率和基因治疗策略 是满意的。 通过细胞治疗和基因技术的手段,本研究在兔 下颌骨牵张成骨过程中应用了一种局部Runx2基因 促进骨再生的输送系统,这种方法可能是缩短牵张 疗程和简化整个牵张成骨过程的有效方法。该方法 为临床应用颅颌面骨缺损的重建尤其是对于那些成 骨潜能退化、骨质疏松症及接受放射治疗的患者提 供了一个极具价值的修复策略。 l参考文献】 [1]1 胡静,戚孟春,韩立赤,等.BMP.7基因促进大鼠下颌牵张 成骨的研究[J].实用El腔医学杂志,2006,22(5):635—638. Hu J,Qi MC,Han LC,et a1.Bone regeneration accelerated by bmp一7 gene in rat mandibular distraction osteogenesis[J]. J Pract Stomatol,2006,22(5):635-638. [2] Bhat BM,Robinson JA,Colebum VE,et a1.Evidence of in vivo osteoinduction in adult rat bone by adeno—Runx2 intra・femoral delivery[J].J Cell Biochem,2008,103(6): 1912.1924. [3】 周诺,黄旋平,江献芳,等.骨形态发生蛋白.2基因修饰 骨髓间充质干细胞复合对氧化聚乙烯和聚丙烯共聚物 移植促进兔下颌骨牵张成骨的实验研究[J].华西口腔医 学杂志,2013,31(3):247—252. Zhou N,Huang XP,Jiang XF,et a1.Experimental study 011 rtansplantation of bone morphogenefic protein・-2 gene trnas-- fected bone mesenchymal stem cells compounded with Plu— ronic F-127 for promoting bone regeneration in rabbit man— dibular distraction osteogenesis[J].West China J Stomatol, 2013,3 1(3):247—252. [4]Tee BC,Sun Z.Mandibulra distraction osteogenesis assisted by cell—based tissue engineering:a systematic review[J]. Onhod Craniofac Res,2015,18(Suppl 1):39—49. [5】 Jiang X,Zou S,Ye B,et a1.bFGF—Modiifed BMMSCs en- hance bone regeneration following distraction osteogenesis in rabbits[J].Bone,2010,46(4):1 156-1 161. [6] Nolte JW,Jansma J,Becking AG.Distraction osteogenesis of maxilla and midface in postradiotherapy patients[J].J 华西口腔医学杂志第34卷第2期2016年4月 http://wwwhxkqyxzz.net WeinaJouf ofStomatolst Chogy Vo1.34 No.2 Apr.2016 ・129・ Oral Maxillofac Surg,2012,70(5):1 145—1 151. [7]Deshpande SS,Gallagher KK,Donneys A,et a1.Stem cell therapy remediates reconstruction of the craniofacial ske. 1eton after radiation therapy[J].Stem Cells Dev,2013,22 rl 1):1625-1632. [8] Kitoh H,Kitakoji T,Tsuchiya H,et a1.Transplantation of marrow—derived mesenchymal stem cells and platelet—rich plasma during distraction osteogenesis--a preliminary result ofthree cases[J].Bone,2004,35(4):892—898. 【9】 Kitoh H,Kitakoji T,Tsuchiya H,et a1.Transplantation of culture expanded bone marrow cells and platelet rich plasma in disrtaction osteogenesis of the long bones[J].Bone,2007, 40(2):522—528. [10]Kinnaird T,Stabile E,Burnett MS,et a1.Local delivery of malTOW—derived stromal cells augments collateral perfusion through paracrine mechanisms.[J].Circulation,2004,109 (12):1543—1549. [11]Sun JJ,Zheng XH,Wang LY,et a1.New bone formation enhanced by ADSCs overexpressing hRunx2 during man— dibular distraction osteogenesis in osteoporotic rabbits[J]. J Onhop Res,2014,32(5):709—720. [12】王立媛,刘大勇,贾智.人脱落乳牙干细胞骨向分化相关 分子Runx2的动态表达[J].中国组织工程研究,2014,18 (1 5):2345-2350. Wang LY,Liu DY,Jia Z.Dynamic expression of Runx2 gene profile during osteogenesis in stem cells from human exfoliated deciduous teeth[J].Chin J Tissue Eng Res,2014, 18(15):2345-2350. [13】Stein GS,Lian JB,Stein JL,et a1.Temporal and spatial parameters of skeletal gene expression:targeting RUNX factors and their coregulatory proteins to subnuclear domains [J].Connect Tissue Res,2003,44(Suppl 1):149—153. [14]Chen CG,Thuillier D,Chin EN,et a1.Chondrocyte—intirnsic Smad3 represses Runx2-inducible matrix metalloproteinase 1 3 expression to maintain articular ca ̄ilage and prevent osteoarthritis[J].Arthritis Rheum,2012,64(1o):3278—3289. [1 5】马慧,赵红斌.Runx2蛋白与成骨细胞分化信号[J】.医学 .综述,2007。1 3(24):1 959—1 962. Ma H,Zhao HB.Runx2 and signal transduction of osteo— blast diferentiation[J].Med Recapitulate,2007,13(24):1959— 1962. [16】 Zhao Z,Wang Z,Ge C,et a1.Healing cranial defects with AdRunx2一transduced marrow stromal cells[J].J Dent Res, 2007,86(12):1207—121 1. [17】 Kim IS,Song YM,Hwang SJ.Osteogenic responses ofhuman mesenchymal stromal cells to static stretch[J].J Dent Res, 2010,89(10):l 129—1 134. [18】 Liu W,Toyosawa S,Furuichi T,et a1.Overexpression of Cbfa1 in osteoblasts inhibits osteoblast maturation and causes osteopenia with multiple rfactures[J].J Cell Biol,200 1,1 55 (1):157—166. [19】 Li C,Ding Jiang L,et a1.Potential ofmesenchymal stem cells by adenovirus—mediated erythropoietin gene therapy approaches for bone defect[J].Cell Biochem Biophys,2014, 70(2):1 l99—1204. 【20】 Zhao C,Wu N,Deng F,et a1.Adenovirus-mediated gene transfer in mesenchymal stem cells can be signiifcantly en— hanced by the cationic polymer polybrene[J].PLoS ONE, 20 1 4,9(3):e92908. [21] SunM,TanW,WangK eta1.Effectsofallogenouspefiosteal- derived cells transfected with adenovirus..mediated BMP..2 on repairing defects of the mandible in rabbits[J].J Oral Maxillofac Surg,2013,7l(10):1789—1799. [22] Kay MA,Glorioso JC,Naldini L.Viral vectors for gene therapy:the art of turning infectious agents into vehicles oftherapeutics[J].Nat Med,2001,7(1):33-40. [23] Zhang Y,Cheng N,Miron R,et a1.Delivery of PDGF—B and BMP一7 by mesoporous bioglass/silk fibrin scaffolds for the repair ofosteoporotic defects[J].Biomaterials,2012, 33(28):6698—6708. [24】 Sheyn D,Kallai I,Tawackoli W,et a1.Gene-modiifed adult stem cells regenerate vertebral bone defect in a rat model[J]. Mol Pharm,201 1,8(5):1592—1601. (本文采编李彩)