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空軍軍醫(yī)大學(xué)牛麗娜教授團(tuán)隊(duì)《Carbohyd. Polym.》：硫酸軟骨素參與生物礦化的全新機(jī)制
2023-04-07  來(lái)源：高分子科技

  骨缺損的修復(fù)需求和異位鈣化疾病的高發(fā)病率使得揭示礦化作用機(jī)制的相關(guān)議題一直備受關(guān)注。硫酸軟骨素（Chondroitin sulfate, CS）是礦化組織中重要的細(xì)胞外基質(zhì)成分，它可以與多種生長(zhǎng)因子和受體相互作用，從而介導(dǎo)牙本質(zhì)生成和骨形成。此外，硫酸軟骨素在骨組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛，但其調(diào)節(jié)礦化的具體方式尚不明確。


  為了解決這一問(wèn)題，空軍軍醫(yī)大學(xué)牛麗娜教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)體外仿生礦化手段聯(lián)合多種表征技術(shù)探究了硫酸軟骨素對(duì)礦化的調(diào)節(jié)作用，并利用分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)作用機(jī)制做出解釋。在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了硫酸軟骨素沉積與跟腱病理性鈣化的發(fā)生具有相關(guān)性。硫酸軟骨素促進(jìn)膠原纖維礦化的能力拓寬了其在骨缺損修復(fù)和骨質(zhì)疏松疾病中的應(yīng)用，也為病理性鈣化疾病的靶向治療提供了新方向。 


圖一 硫酸軟骨素參與生物礦化機(jī)制圖


  本研究通過(guò)引入跟腱異位骨化的病理模型，提出了硫酸軟骨素可以直接參與膠原纖維礦化的創(chuàng)新性觀(guān)點(diǎn)。結(jié)果表明，游離狀態(tài)的硫酸軟骨素能夠以濃度依賴(lài)的方式穩(wěn)定超飽和鈣磷溶液，形成CS-ACP（硫酸軟骨素-無(wú)定型磷酸鈣）納米顆粒，進(jìn)而誘導(dǎo)高效的膠原纖維內(nèi)礦化。 


圖二 硫酸軟骨素可以誘導(dǎo)膠原纖維礦化


  分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明硫酸軟骨素分子之間的氫鍵提供了啟動(dòng)硫酸軟骨素自組裝的能量來(lái)源。隨后環(huán)境中的鈣離子和磷酸氫根離子在靜電相互作用下聚集在硫酸軟骨素聚集體周?chē)纬?/span>CS-ACP。 


圖三 CS-ACP形成的機(jī)制探究


  然而，當(dāng)硫酸軟骨素處于固定狀態(tài)時(shí)，它誘導(dǎo)膠原纖維內(nèi)礦化的能力很微弱。這可能是由于固定化的硫酸軟骨素自組裝能力降低，形成空間位阻干擾了鈣磷離子的擴(kuò)散。以上結(jié)果表明，硫酸軟骨素的存在形式會(huì)顯著影響膠原礦化的結(jié)果。 


圖四 固定狀態(tài)的硫酸軟骨素對(duì)膠原礦化的影響


  此外，在大鼠異位骨化模型中發(fā)現(xiàn)了礦物質(zhì)沉積與硫酸軟骨素表達(dá)具有相關(guān)性。而細(xì)胞外基質(zhì)中存在的一種水解酶（透明質(zhì)酸酶-1）可能充當(dāng)了硫酸軟骨素從固定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)的催化劑。


  該工作以“A seminal perspective on the role of chondroitin sulfate in biomineralization”為題發(fā)表在《Carbohydrate Polymers》期刊上，論文的通訊作者為空軍軍醫(yī)大學(xué)牛麗娜教授，空軍軍醫(yī)大學(xué)和山西醫(yī)科大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)研究生郝茄辛碩士，空軍軍醫(yī)大學(xué)萬(wàn)千千博士、慕昭研究員為本文的共同第一作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、口腔疾病國(guó)家臨床醫(yī)學(xué)研究中心以及陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的資助。


  牛麗娜教授團(tuán)隊(duì)深耕生物礦化領(lǐng)域，長(zhǎng)期從事仿生礦化材料與硬組織缺損再生修復(fù)等方面的研究工作。在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了膠原支架的纖維內(nèi)礦化模式，并闡明了其機(jī)制，為仿生再礦化技術(shù)的臨床應(yīng)用提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持；通過(guò)仿生鈣化、硅化及雜化技術(shù)，首次成功構(gòu)建出高強(qiáng)度、高生物活性、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列膠原支架材料，解決了礦化技術(shù)在骨缺損修復(fù)應(yīng)用中的關(guān)鍵難題。先后主持國(guó)家青年863項(xiàng)目、國(guó)科金優(yōu)青項(xiàng)目、面上項(xiàng)目等20余項(xiàng)基金。近年來(lái)，發(fā)表SCI論文158篇，以第一/通訊（含共同）作者在Nat Mater、Prog Polym Sci等國(guó)際著名期刊發(fā)表SCI論文101篇。


  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0144861723002023

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