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空军军医大学牛丽娜教授团队《Carbohyd. Polym.》:硫酸软骨素参与生物矿化的全新机制
2023-04-07  来源:高分子科技

  骨缺损修复需求和异位钙化疾病的高发病率使得揭示矿化作用机制的相关议题一直备受关注硫酸软骨素(Chondroitin sulfate, CS)是矿化组织中重要的细胞外基质成分,它可以与种生长因子和受体相互作用,从而介导牙本质生成和骨形成此外,硫酸软骨素在骨组织工程领域的应用也十分广泛,但其调节矿化的具体方式尚不明确。


  为了解决这一问题,空军军医大学牛丽娜教授团队过体外仿生矿化手段联合多种表征技术探究了硫酸软骨素对矿化的调节作用,并利用分子动力学模拟对作用机制做出解释。在此基础上发现了硫酸软骨素沉积与跟腱病理性钙化的发生具有相关性。硫酸软骨素促进胶原纤维矿化的能力拓宽了其在骨缺损修复和骨质疏松疾病中的应用,也为病理性钙化疾病的靶向治疗提供了新方向 


图一 硫酸软骨素参与生物矿化机制图


  本研究通过引入跟腱异位骨化的病理模型,提出了硫酸软骨素可以直接参与胶原纤维矿化的创新性观点。结果表明,游离状态的硫酸软骨素能够以浓度依赖的方式稳定超饱和钙磷溶液,形成CS-ACP(硫酸软骨素-无定型磷酸钙)纳米颗粒,进而诱导高效的胶原纤维内矿化。 


图二 硫酸软骨素可以诱导胶原纤维矿化


  分子动力学模拟结果表明硫酸软骨素分子之间的氢键提供了启动硫酸软骨素自组装的能量来源。随后环境中的钙离子和磷酸氢根离子在静电相互作用下聚集在硫酸软骨素聚集体周围形成CS-ACP 


图三 CS-ACP形成的机制探究


  然而,当硫酸软骨素处于固定状态时,它诱导胶原纤维内矿化的能力很微弱这可能是由于固定化的硫酸软骨素自组装能力降低,形成空间位阻干扰了钙磷离子的扩散。以上结果表明,硫酸软骨素的存在形式会显著影响胶原矿化的结果。 


图四 固定状态的硫酸软骨素对胶原矿化的影响


  此外,在大鼠异位骨化模型中发现了矿物质沉积与硫酸软骨素表达具有相关性。而细胞外基质中存在的一种水解酶(透明质酸酶-1)可能充当了硫酸软骨素从固定状态转变为游离状态的催化剂。


  该工作以“A seminal perspective on the role of chondroitin sulfate in biomineralization”为题发表在《Carbohydrate Polymers》期刊上,论文的通讯作者为空军军医大学牛丽娜教授,空军军医大学和山西医科大学联合培养研究生郝茄辛硕士,空军军医大学万千千博士、慕昭研究员为本文的共同第一作者。该工作得到国家重点研发计划国家自然科学基金口腔疾病国家临床医学研究中心以及陕西省重点科技创新团队资助


  牛丽娜教授团队深耕生物矿化领域,长期从事仿生矿化材料与硬组织缺损再生修复等方面的研究工作。在国际上首次实现了胶原支架的纤维内矿化模式,并阐明了其机制,为仿生再矿化技术的临床应用提供了重要的理论基础和技术支持;通过仿生钙化、硅化及杂化技术,首次成功构建出高强度、高生物活性、具有自主知识产权的系列胶原支架材料,解决了矿化技术在骨缺损修复应用中的关键难题。先后主持国家青年863项目、国科金优青项目、面上项目等20余项基金。近年来,发表SCI论文158篇,以第一/通讯(含共同)作者在Nat MaterProg Polym Sci等国际著名期刊发表SCI论文101篇。


  原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0144861723002023

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(责任编辑:xu)
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