外傷、腫瘤切除或感染造成的大面積骨缺損在臨床實(shí)踐中不易愈合。骨修復(fù)材料有巨大的臨床需求空缺，亟待優(yōu)質(zhì)人工骨材料來填補(bǔ)。膠原蛋白，作為一種細(xì)胞外基質(zhì)的關(guān)鍵成分，而被廣泛用于組織缺損修復(fù)。未經(jīng)修飾的膠原蛋白支架是骨組織工程的瓶頸。由于其有限的機(jī)械和骨誘導(dǎo)性能，這些支架在修復(fù)大骨缺損方面表現(xiàn)不佳。

2023年08月26日，空軍軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院牛麗娜教授團(tuán)隊(duì)在Chemical Engineering Journal（IF=15.1）上發(fā)表題為“The immunomodulatory effects of DNA-conjugated collagen scaffolds on bone healing”的研究文章。研究人員開發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型骨修復(fù)海綿，將基因載體DNA交聯(lián)至膠原蛋白上，作為能量補(bǔ)給池增強(qiáng)CD4+ T細(xì)胞的氧化磷酸化水平代謝，進(jìn)而促進(jìn)其向炎癥抑制性調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Treg）向分化，以此實(shí)現(xiàn)骨缺損1周后的大量新骨修復(fù)。本研究中拜譜生物為其提供轉(zhuǎn)錄組測序服務(wù)，發(fā)現(xiàn)的差異基因有助于拓展DNA結(jié)合膠原蛋白支架對骨愈合的免疫調(diào)節(jié)的相關(guān)基因的認(rèn)識(shí)。

文章名稱：The immunomodulatory effects of DNA-conjugated collagen scaffolds on bone healing（CHEM ENG J，IF=15.1，2023.08）

客戶單位：空軍軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院

研究材料：大鼠血凝塊

分組信息：DNA-Col和Col

拜譜提供技術(shù)：轉(zhuǎn)錄組測序

圖1|DNA-Col促進(jìn)骨修復(fù)機(jī)制圖(圖源：Jing-han Song, et al., CHEM ENG J., 20

研究結(jié)果

研究人員通過EDC/NHS交聯(lián)體系將DNA錨定在膠原蛋白纖維上形成DNA交聯(lián)的膠原海綿（DNA-Col），發(fā)現(xiàn)DNA上的磷酸基團(tuán)與膠原分子胺基之間以穩(wěn)定的共價(jià)鍵——磷酰胺鍵相連。同時(shí)，這種交聯(lián)還會(huì)賦予海綿更高的機(jī)械強(qiáng)度。隨后研究人員以大鼠拔牙后的牙槽骨缺損為模型，驗(yàn)證DNA-Col的骨組織修復(fù)效果，發(fā)現(xiàn)DNA-Col在體內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的促成骨效果。

研究人員提取骨缺損局部充填的材料及其周圍包裹的血凝塊，進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序分析，差異表達(dá)基因在火山圖展示（圖2D）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)DNA-Col和Col之間的基因表達(dá)譜存在廣泛的變化（圖2A）?；虮倔w分析顯示，DNA-Col誘導(dǎo)與免疫應(yīng)答相關(guān)的基因上調(diào)，尤其是與適應(yīng)性免疫應(yīng)答相關(guān)的基因上調(diào)（圖2B）。差異表達(dá)基因（DEGs）與參與T細(xì)胞發(fā)育、分化和功能的基因呈正相關(guān)。與t細(xì)胞活性相關(guān)的DEGs在本質(zhì)上似乎更具調(diào)節(jié)性（圖2C）此外，在DNA-Col樣本中，負(fù)責(zé)促炎活性的基因顯著下調(diào)（圖2C）?？偟膩碚f，DNA-Col誘導(dǎo)免疫應(yīng)答相關(guān)基因上調(diào)，尤其是與適應(yīng)性免疫應(yīng)答相關(guān)的基因出現(xiàn)上調(diào)。上調(diào)的差異表達(dá)基因多為參與Treg分化和功能的基因。

圖2| 轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果(圖源：Jing-han Song, et al., CHEM ENG J., 2023)

接下來，研究人員利用免疫熒光及流式細(xì)胞術(shù)檢測CD4+ Foxp3+的Treg在骨缺損局部DNA-Col的分布及數(shù)量，結(jié)果顯示DNA-Col的內(nèi)部富集更多的Treg。Treg清除后的小鼠牙槽骨缺損模型中，DNA-Col的骨修復(fù)效果大打折扣，表明Treg在DNA-Col促成骨中發(fā)揮重要作用。最后，研究人員深入探究了DNA-Col引起CD4+ T細(xì)胞向Treg分化的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)DNA-Col能夠通過TLR4-p38-PGC-1α通路增強(qiáng)CD4+ T細(xì)胞的氧化磷酸化水平，進(jìn)而促進(jìn)其向Treg分化。

拜譜生物小結(jié)

作者通過交聯(lián)將DNA與膠原蛋白結(jié)合，構(gòu)建出一種新型基因海綿，通過DNA-Col與Treg相互作用的能力，確立了其作為生物活性骨再生支架的作用。這種基因海綿發(fā)揮促成骨作用是通過調(diào)節(jié)骨免疫微環(huán)境而實(shí)現(xiàn)的，本研究這一發(fā)現(xiàn)為在外科骨缺損的骨免疫環(huán)境中創(chuàng)造具有調(diào)節(jié)功能的智能硬組織工程材料開辟了道路。這一過程中拜譜生物提供了轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)服務(wù)，拜譜生物已研發(fā)完成并建立了完善成熟的蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)以及多組學(xué)聯(lián)合產(chǎn)品技術(shù)服務(wù)體系，歡迎致電咨詢！

參考文獻(xiàn)：Song, J., Gu, J., Dang, G., Li, Z., Lei, C., Li, L., Mu, Z., Tay, F.R., Jiao, K., & Niu, L. (2023). The immunomodulatory effects of DNA-conjugated collagen scaffolds on bone healing. Chemical Engineering Journal.