研究背景和目的:多种因素例如创伤、感染、肿瘤切除或者先天骨性疾病等而使一些骨质丧失,形成较大的间隙,称为骨缺损。骨缺损在临床骨科领域十分常见,它的治疗尤其是大段骨缺损的治疗是一个非常棘手的问题。自上世纪90年代以来组织工程技术的出现成为了治疗大节段骨缺损最有希望的策略之一。三维支架材料和种子细胞是骨组织工程的核心;早期的研究者们主要将目光聚焦于支架材料构建方法的优化和种子细胞的筛选,并在临床实践和基础研究中均取得了较为显著的效果,但该策略至今仍未能达到最满意的疗效,对于组织工程修复材料参与成骨的作用机制的相关研究也相对匮乏。骨组织代谢的正常过程包括成骨和破骨两方面。骨稳态是成骨代谢和破骨代谢相互作用从而达到平衡的结果。破骨细胞介导的骨吸收和成骨细胞介导的骨形成共同构成了骨修复的重建过程。众所周知,骨代谢的整个过程离不开多种微量元素的参与,近来有研究报道镍作为人体可能必须的微量元素对骨骼的生长发育具有一定的作用,含镍的钛合金形状记忆材料已经在在临床骨科领域广泛应用[1].但是金属镍如何参与和影响骨稳态还鲜有报道,具体的作用机制更不明确。我们猜想把富镍的组织工程骨应用在骨缺损的修复中可能会给我们一些答案。对于成骨来说,一直以来,广大研究者们普遍认为,移植的组织工程骨上的种子细胞经过增殖、分化,最终成为成骨细胞,共同参与并完成骨缺损的修复。但是,最近一部分研究发现种子细胞在组织工程骨移植后短时间内会大部分死亡,仅少量细胞存活并参与到最终的成骨过程中[2]。我们课题组在前期的研究中通过绿色荧光蛋白示踪也同样发现此现象,有趣的是我们发现除了少量种子细胞,大量宿主细胞也会通过迁移到达移植区参与骨修复过程[3]。但是迁移到移植区的细胞特征、宿主细胞来源以及具体过程仍不明确。目前对于成骨代谢的相关研究更加深入且报道较多,但对破骨代谢却知之甚少。破骨细胞介导的骨吸收是骨重塑过程中的关键步骤,深入研究组织工程骨参与骨修复的过程离不开对破骨细胞的深入探讨。近年来已有研究发现一些稀土元素能够影响破骨细胞的生理过程,镍具有类似的元素结构,我们猜想镍可能对破骨细胞发挥某种作用影响骨修复的进程。本文分析了富镍的组织工程骨参与骨缺损的修复过程中,宿主细胞的来源、特性以及动员迁移的具体通路机制和金属镍影响破骨细胞促进骨重建的作用机制。方法和结果:(1)构建富镍的组织工程骨和嵌合鼠连体共生小鼠骨缺损模型探究参与骨重建的宿主细胞来源,通过小动物活体成像和免疫荧光染色的方法发现宿主骨髓来源的CD44~+细胞迁移到移植区参与骨修复,Micro-CT扫描发现迁移来的CD44~+细胞有利于促进骨修复。(2)通过体外Transwell和Western blot实验研究宿主细胞动员迁移的具体通路机制,结果表明骨髓来源的CD44~+细胞的迁移受SDF-1/CXCR4-JNK通路的影响促进,拮抗剂AMD3100和SP600125能够分别阻断迁移效应;进一步通过体内Elisa实验发现骨损伤后存在一个从骨髓、外周血到移植区逐渐升高的SDF-1浓度梯度,流式细胞学和免疫荧光染色发现AMD3100促进CD44~+细胞的动员,JNK参与其迁移到移植区,Western blot和RT-PCR显示JNK能够调控Arpin和Arp2/3蛋白和基因的表达。(3)破骨细胞TRAP染色以及肌动蛋白细胞骨架和局灶粘附免疫荧光染色发现镍能够抑制破骨细胞的分化和融合;Western blot发现镍通过PI3K/Akt-Rac1抑制了细胞骨架蛋白DC-STAMP和ATP6v0d2的表达。通过移植富镍的组织工程骨,micro-CT和免疫组化发现富镍的组织工程骨能够抑制破骨细胞活性从而促进骨重建。结论:发现了宿主骨髓来源的CD44~+细胞通过SDF-1/CXCR4-JNK通路迁移到移植区并促进骨修复;揭示了金属镍通过PI3K/Akt-Rac1通路干扰细胞骨架的形成,从而抑制破骨细胞的分化和融合,最终促进骨重建。