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MicroRNA-26a对人骨髓间充质干细胞成骨分化机制在修复骨缺损研究进展

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  摘要:人骨髓间充质干细胞是人体成骨分化的主要骨母干细胞来源,主导人的骨与软骨的再生与重建。近年在研究影响的影响因素上,microRNAs被报道其相关家族在骨髓间充质干细胞的分化过程中起着关键的调节控制作用,其中miRNA-26a在促进骨髓间充质干细胞成骨分化中起着关键作用。microRNA-26a通过影响Smad1、GSK3β、BMP、Id1信号通路增强骨髓间充质干细胞的成骨分化作用,从而促进骨质生成。本综述将阐述microRNAs家族作用于成骨分化的发现,进一步详细阐述microRNA-26a对人骨髓间充质干细胞的作用机制的研究发现和目前miRNA-26a转染骨髓间充质干细胞对修复骨缺损的研究进展。
  关键词:microRNA-26a;人骨髓间充质干细胞;成骨分化;骨缺损
  中图分类号:R683                                  文献标识码:A                                   DOI:10.3969/j.issn.1006-1959.2019.06.015
  文章編号:1006-1959(2019)06-0041-04
  Abstract:Human bone marrow mesenchymal stem cells are the main source of osteoblasts for human osteogenic differentiation, leading to the regeneration and reconstruction of bone and cartilage.In recent years, influencing the influencing factors of microRNAs, microRNAs have been reported to play a key regulatory role in the differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells. miRNA-26a plays an important role in promoting osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells.microRNA-26a enhances osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells by affecting Smad1, GSK3β, BMP, and Id1 signaling pathways.This review will describe the discovery of microRNAs family acting on osteogenic differentiation,the research on the mechanism of microRNA-26a on human bone marrow mesenchymal stem cells was further elaborated and the research progress of miRNA-26a transfected bone marrow mesenchymal stem cells on repairing bone defects.
  Key words:microRNA-26a;Human bone marrow mesenchymal stem cells;Osteogenic differentiation;Bone defect
  骨缺损(bone defect)是指骨的完整性受到破坏,病因常见于创伤、感染、肿瘤、骨髓炎手术清创、以及各种先天性疾病。骨缺损的形成使得肢体正常生物力学结构丧失,对患肢的正常生理功能构成障碍。骨折断端骨质的大规模缺损,导致骨折断端不能正常愈合,称为骨缺损性骨不连。骨不连是骨科难题的同时也影响着患者的生活质量。目前治疗骨缺损主要方式有:①骨移植技术:通过在骨缺损部位移植异体骨、或自体骨的手术治疗方式,促进骨质的生长,但存在异体免疫排斥、感染、对自身取骨区造成骨质破坏等缺点。②骨搬运技术:利用Ilizarov外固定支架,基于基本原理是张力-应力法则(law of tension stress,LTS),即活的生物组织在持续、稳定、缓慢牵拉下能刺激细胞分裂,组织再生和活跃生长[1]。还有髓内钉技术、钢板内固定技术等,以上技术都存在各自的优缺点,未能对治疗骨不连得出比较确切的治疗方式。人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)是属于多能干细胞,在骨科领域,microRNAs主要应用于体外诱导骨髓间充质干细胞的成骨分化实验,例如:间充质干细胞(MSCs)外含小体在动物软骨缺损区域具有显著的调节促进软骨再生作用[2]。在用生物功能支架结合转染促进间充质干细胞的miRNAs成骨诱导研究中,Deng Y等发现[3],当miRNA-31的过表达时,能够有效抑制成骨因子(Satb2、Osx和Ocn)。反之,当miRNA-31敲除表达后,脂肪干细胞的骨诱导分化将会大大的增强,使含抑制miRNA-31的ASCs材料用于骨诱导再生形成和修复骨缺损在治疗上是存在可行性的,开辟了治疗骨缺损基因层面的新治疗方式。近年相关研究表明[4,5],miRNAs调控骨髓间充质干细胞成骨分化,其中miRNA-26a对骨髓间充质干细胞成骨分化起正向调控作用。但是,人骨髓间充质干细胞成骨分化与microRNA-26a之间的分子信号通路机制目前研究尚未明确,microRNA-26a对骨髓间充质干细胞的成骨分化机制的进一步研究,对修复骨缺损的基因治疗层面上具有重要意义。本文综述microRNAs家族作用于成骨分化的发现,进一步详细阐述microRNA-26a对人骨髓间充质干细胞的作用机制的研究发现和目前miRNA-26a转染骨髓间充质干细胞对修复骨缺损的研究进展。   1 microRNAs在生物体内生理意义
  microRNAs是一类非编码小RNA,在生物体内DNA转录后水平的基因调控中起重要作用。对生物体内的组织再生、干细胞性能分化上具有重要调控作用,可以激发细胞内修复机制或通过引导细胞分化导向作用,来达到目标蛋白的表达,所以microRNAs作用于组织定向分化再生的治疗方法有可能实现[4]。microRNAs普遍存在于生物体内各个角落,对不同的组织分化均有不同的调控作用。近年关于microRNAs对于骨髓间充质干细胞分化研究表明,不同的miRNAs在诱导骨髓间充质干细胞的成骨分化的信号通路机制是不同的。例如,microRNA-26a通过靶向抑制TOB1蛋白的表达,来促进骨髓间充干细胞的成骨分化作用[5]、microRNA-29b通过下调成骨分化抑制剂,HDAC4,TDFb3,ACVR2A等促进小鼠前成骨细胞MC3T3-E1细胞中的成骨分化[6]、microRNA-2861、microRNA-3960分别靶向Hoxa2和HDAC,进一步增加了Runx2促进成骨分化的表达[7]。上述部分microRNAs中在生物体内通过不同的作用方式促进骨髓间充质干细胞成骨分化的过程。相反,microRNA-204、microRNA-211、microRNA-133、microRNA-135、microRNA-125b、microRNA-206分别通过下调RUX2、BMP-2的表达抑制碱性磷酸酶(ALP)和骨钙素(OCN)的生成,来抑制成骨细胞的分化以及骨的再生[8]。在microRNAs调控体内干细胞的成骨分化实验室数据支持下,使microRNAs在成骨分化过程中担任着重要角色。
  2 microRNA-26a的体内调控作用
  microRNA-26a作为microRNAs家族中的一员,其在诱导骨髓间充质干细胞的成骨分化作用的重要性,得到越来越多的研究者的论证支持,逐渐成为诱导骨髓间充质干细胞成骨分化研究上的热点对象之一。在筛选具备成骨分化作用的microRNA的比较中,例如:microRNA-26a,microRNA-29b,microRNA-2861,microRNA-27,microRNA-29a,microRNA-218[5,6,10-12]均具有促进骨髓间充质干细胞成骨分化的作用。实验数据表明,在OVX组(卵巢切除术小鼠组)中microRNA-26a表达显著降低(P<0.01),证明microRNA-26a在骨质疏松模型中具有增强成骨分化的作用,并且microRNA-26a被确认为靶点microRNA[5]。在后续的研究中,证实microRNA-26a通过下调SMAD1蛋白的表达,来促进hADSCs的成骨分化作用的分子机制[12]。实验数据表明,得出microRNA-26a与menin在SMAD1的microRNA调节中的相互作用,进一步作用于骨髓间充质干细胞早期成骨分化的调节[13]。在骨周围的软组织调节角色上,microRNA-26a能通过直接调节TGF-b信号级联反应,对血管平滑肌(SMC)的增殖、迁移、凋亡进行调控,对受损的血管修复的过程发挥症重要的调节作用[14]。在进一步的实验数据支持,microRNA-26a可通过抑制内皮SMAD1的表达,并通过BMP/SMAD1/Id1信号通路调节血管的生成作用[15]。为此可以证实,miRNA-26a在调节机体内人脂肪干细胞成骨、平滑肌、血管调控分化中起到关键调控开关作用,同时microRNA-26a对血管、平滑肌细胞诱导分化均为骨髓间充质干细胞分化形成骨基质奠定重要前提条件。从上述研究中可以得出,microRNA-26a在诱导干细胞成骨分化的最终目的上,并非单一促进骨髓间充质干细胞的成骨分化,会同时在体内兼顾完善骨髓间充质干细胞分化成骨的前提形成条件,构建局部整体适合干细胞成骨分化的微环境体系。
  3 microRNA-26a在人骨髓间充质干细胞成骨分化的分子机制
  microRNA-26a是已确定为骨形成调节剂的几种microRNAs之中重要的一种,microRNA-26a通过抑制Smad1和GSK3β蛋白的表达来增强骨髓间充质干细胞的成骨分化作用[16]。在对microRNA-26a对GSK3β蛋白的分子机制研究上发现,microRNA-26a通过直接结合mRNA的3'UTR而干扰GSK3β,通过抑制GSK3β蛋白的表达来增强hADSCs中的成骨细胞活性[17]。在RANKL介导的破骨细胞形成中,microRNA-26a通过抑制CTGF在破骨细胞形成中起负调节剂作用,抑制破骨细胞的生成[18]。上述实验还显示,GSK3β通过调节β-连环蛋白影响Wnt信号传导途径,随后改变下游靶C/EBPα的表达,发现C/EBPα通过与CTDSPL启动子区域物理结合而转录激活microRNA-26a的表达(图1)[17]。
  MicroRNA-26a对人骨髓间充质干细胞正向成骨分化的促進作用,得到后续实验室数据上的论证支持。 对于microRNA-26a在目前可能性的信号通路,例如Smad1、GSK3β、BMP、Id1信号通路,具体microRNA-26a是通过哪一种信号机制作为主导控制作用,还是多种信号通路共同协同作用控制骨髓间充质干细胞的成骨分化过程,有待进一步探讨。对microRNAs与骨髓间充质干细胞的成骨诱导分化的信号通路的阐述明确,有助于研制能够强化microRNAs促进干细胞正向成骨分化的激活因子,有助于促进干细胞的成骨分化,为解决目前临床上骨缺损治疗方案提供一种可行有效的治疗方案。
  4骨髓间充质干细胞转染microRNA-26a生物支架在修复骨缺损的研究现状
  骨缺损是由于创伤、肿瘤、感染等多种病因所致的骨质缺失,使正常骨的完整性与连续性受破坏,影响骨骼的正常生理、物理功能,导致患肢骨折断端长期不愈合、不能正常活动负重,占据了高医疗费用、并严重影响患者的社会、生理功能。为了能够有效解决临床骨缺损这一难题,以目前主流骨移植技术、骨搬运技术都未能较好的解决这一问题,而microRNA-26a转染骨髓间充质干细胞(BMSCs)促进成骨分化的研究出现,为未来解决骨缺损的难题,开辟了广阔可行的前景大道。以接近人骨钙磷比例构建羟基磷灰石(HA)生物支架,在支架上附着予microRNA-26a转染完毕的骨髓间充质干细胞植入小鼠骨缺损模型中,实验数据表明[19],microRNA-26a可显著提高骨髓间充质干细胞的成骨分化能力,并在体外未见明显的细胞毒性,因此microRNA-26a转染的骨髓间充质干细胞与HA支架的组合可显著改善新骨的分化形成,可作为修复骨缺损的骨替代物。而在以明胶构建的生物功能支架与磷灰石包被的聚乳酸羟基乙酸(PLGA)功能支架比较上,明胶构建的生物功能支架对表达BMP2的ASCs能使体内有效的软骨形成并完成临界尺寸的小鼠颅骨骨缺损的骨愈合,而在磷灰石包被的PLGA功能支架与表达BMP2的ASCs构建体,小鼠骨缺损骨性愈合程度显著弱于前者[20]。通过计算机预测筛选与血管生成相关的microRNA-21,microRNA-29b,microRNA-26a在骨髓间充质干细胞的增殖表达检测表明,microRNA-26a在骨髓间充质干细胞中的表达水平是其余两者的6倍,使得血管生成因子Vegf分泌增加,对血管生成具有明显的促进作用[21]。而microRNA-26A转染的骨髓间充质干细胞在水凝胶和化学修饰构成的系统中,表现出显著的血管生成和骨形成效应[21]。以上的实验引发一个值得思考的问题:在microRNA-26a转染的骨髓间充质干细胞的体系基于何种生物材料的功能支架,才能使得该构建体系拥有最大成骨疗效。研究表明,以具备杆状病毒凝胶包裹的PLGA支架较普通支架对转染目标microRNA至骨髓间充质干细胞内表达效率高达于常规无病毒载体的普通支架,同时表明通过杆状病毒介导的microRNA-26a、microRNA-29b、microRNA-148b、microRNA-196a的表达具有促进骨髓间充质干细胞成骨分化的作用[22]。在非病毒介导合成的HP聚合物构建“双壳”凝胶结构的microRNA-26a功能PLLA支架,避免了病毒介导所带来的免疫应答反应,能够分步传送目标microRNA至骨髓干细胞内,有效提高microRNA-26a的转染率和在骨髓间充质干细胞中的表达,发现microRNA-26a的成骨作用是通过功能靶向Gsk-3b来增加Ob的活性而不是抑制破骨细胞的活性,刺激骨髓间充质干细胞的成骨分化[23]。在上述的实验中,microRNA-26a在不同的生物功能支架上,都表明对转染的骨髓间充质干细胞的成骨分化作用具有促进作用。而在于比较哪种类型的生物功能支架更加适应microRNA-26a在体内持续高效转染并表达其生物功能作用,目前需要进一步的研究与探讨。   5總结与展望
  本文概述了目前治疗骨缺损的现状和目前治疗方式上的优缺点。近年microRNAs家族的生理意义研究发现,microRNA-26a可通过Smad1、GSK3β、BMP、Id1信号通路或其他未明确的信号通路,对骨骼肌周围血管的再生和骨髓干细胞的成骨分化起到正向调控作用。这一发现,让microRNAs应用于治疗骨缺损的临床治疗上奠定了理论基础。进一步实验研究表明microRNA-26a转染骨髓间充质干细胞生物功能支架的类型及在小鼠颅骨骨缺损模型中的成骨分化上的研究:不同的生物功能支架,其负载的microRNA-26a对骨髓间充质干细胞的转染率与促进成骨分化的效率程度均存在对小鼠骨缺损节段具有存进成骨分化作用。microRNA-26a对骨髓间充质干细胞成骨分化促进作用,为解决目前骨缺损状况提供了一个可以探索的途径,但microRNA-26a能否与其他microRNAs家族成员相互协同调控Smad1、GSK3β、BMP、Id1信号通路或其他为明确的信号通路调控骨髓间充质干细胞的成骨分化作用暂未有科学的结论。另外,microRNA-26a转染骨髓间充质干细胞生物功能支架促进成骨分化修复骨缺损的结论是通过动物实验证实的,尚未有相关microRNAs转染骨髓间充质干细胞生物功能支架应用于临床人体中,microRNAs-骨髓干细胞生物支架是否对人体具有特异性及副作用仍然未知。因此,microRNA-26a转染骨髓间充质干细胞生物功能支架促进成骨分化修复骨缺损的靶向治疗方式仍需更多的实验研究进一步探索。
  参考文献:
  [1]Shahid M,Hussain A,Bridgeman P,et al.Clinical Outcomes of the Ilizarov Method After an Infected Tibial Non Union[J].Archives of trauma research,2013,2(2):71-75.
  [2]Toh WS,Lai RC,Hui JHP,et al.MSC exosome as a cell-free MSC therapy for cartilage regeneration: Implications for osteoarthritis treatment[J].Seminars in Cell & Developmental Biology,2017,67(18):56-64.
  [3]Deng Y,Zhou H,Zou D,et al.The role of miR-31-modified adipose tissue-derived stem cells in repairing rat critical-sized calvarial defects[J].Biomaterials,2013,34(28):6717-6728.
  [4]Frith JE,Porrello ER,Cooper-White JJ.Concise Review: New Frontiers in MicroRNA-Based Tissue Regeneration[J].Stem Cells Transl Med,2014,3(8):969-976.
  [5]Li Y,Fan L,Hu J,et al.MiR-26a Rescues Bone Regeneration Deficiency of Mesenchymal Stem Cells Derived from Osteoporotic Mice[J].Mol Ther,2015,23(8):1349-1357.
  [6]Li Z,Hassan MQ,Jafferji M,et al.Biological functions of miR-29b contribute to positive regulation of osteoblast differentiation[J].J BiolChem,2009,284(23):15676-15684.
  [7]Hu R,Liu W,Li H,et al.ARunx2/miR-3960/miR-2861regulatory feedback loop during mouse osteoblast differentiation[J].J BiolChem,2011,286(14):12328-12339.
  [8]Chen J,Qiu M,Dou C,et al.MicroRNAs in Bone Balance and Osteoporosis[J].Drug Development Research,2015,76(5):235-245.
  [9]Wang T,Xu Z.miR-27 promotes osteoblast differentiation by modulating Wnt signaling[J].Biochem Biophys Res Commun,2010,402(2):186-189.
  [10]Kapinas K,Kessler C,Ricks T,et al.miR-29 modulates Wnt signaling in human osteoblasts through a positive feedback loop[J].J BiolChem,2010,285(33):25221-25231.
  [11]Li H,Xie H,Liu W,et al.A novel microRNA targetingHDAC5 regulates osteoblast differentiation in mice and contributes to primary osteoporosis in humans[J].J Clin Invest,2009,119(12):3666-3677.   [12]Luzi E,Marini F,Sala SC,et al.Osteogenic Differentiation of Human Adipose Tissue-Derived Stem Cells Is Modulated by the miR-26a Targeting of the SMAD1 Transcription Factor[J].Journal of Bone and Mineral Research,2008,23(2):287-295.
  [13]Luzi E,Marini F,Tognarini I,et al.The regulatory network menin-microRNA 26a as a possible target for RNA-based therapy of bone diseases[J].Nucleic Acid Ther,2012,22(2):103-108.
  [14]Leeper NJ,Raiesdana A,Kojima Y, et al.MicroRNA-26a is a novel regulator of vascular smooth muscle cell function[J].Journal of Cellular Physiology,2011,226(4):1035-1043.
  [15]Icli B,Wara AK,Moslehi J,et al.MicroRNA-26a Regulates Pathological and Physiological Angiogenesis by Targeting BMP/SMAD1 Signaling[J].Circulation Research,2013,113(11):1231-1241.
  [16]Su X,Liao L,Shuai Y,et al.MiR-26a functions oppositely in osteogenic differentiation of BMSCs and ADSCs depending on distinct activation and roles of Wnt and BMP signaling pathway[J].Cell Death & Disease,2015,6(8):e1851.
  [17]Wang Z,Xie Q,Yu Z,et al.A regulatory loop containing miR-26a, GSK3β and C/EBPα regulates the osteogenesis of human adipose-derived mesenchymal stem cells[J].Scientific Reports,2015,5(1):15280.
  [18]Kim K,Kim JH,Kim I,et al.MicroRNA-26a regulates RANKL-induced osteoclast formation[J].Molecules & Cells,2014,38(1):75-80.
  [19]Wang Z,Zhang D,Hu Z,et al.MicroRNA-26a-modified adipose-derived stem cells incorporated with a porous hydroxyapatite scaffold improve the repair of bone defects[J].Molecular Medicine Reports,2015,12(3):3345-3350.
  [20]Lin CY,Chang YH,Li KC,et al.The use of ASCs engineered to express BMP2 or TGF-β3 within scaffold constructs to promote calvarial bone repair[J].Biomaterials,2013,34(37):9401-9412.
  [21]Li Y,Fan L,Liu S,et al.The promotion of bone regeneration through positive regulation of angiogenic-osteogenic coupling using microRNA-26a[J].Biomaterials,2013,34(21):5048-5058.
  [22]Liao YH,Chang YH,Sung LY,et al.Osteogenic differentiation of adipose-derived stem cells and calvarial defect repair using baculovirus-mediated co-expression of BMP-2 and miR-148b[J].Biomaterials,2014,35(18):4901-4910.
  [23]Zhang X,Li Y,Chen YE,et al.Cell-free 3D scaffold with two-stage delivery of miRNA-26a to regenerate critical-sized bone defects[J].Nature Communications,2016,7(1):10376.
  收稿日期:2018-12-19;修回日期:2019-1-5
  編辑/杨倩
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14801166.htm

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