仿生鱼胶原膜制备和诱导组织再生及机制研究

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目的:皮肤和牙周组织缺损修复材料的研究一直是创伤与再生医学领域中重点发展的方向之一。其中哺乳动物胶原虽然具有良好的生物学活性,但可能存在传播动物性疾病的风险,且价格高,难以在某些信教地区应用。为了规避这些问题,研发具有生物相容性、功能性和安全性的修复替代材料,本文构建了仿生静电纺罗非鱼胶原、罗非鱼胶原/生物玻璃以及鱼胶原/生物玻璃/壳聚糖三种新型纳米纤维膜。探讨其理化性能、抗菌性、诱导组织再生的体内外生物学效应及其分子机制,为新一代皮肤和牙周组织缺损修复材料的研制、评价和应用提供科学依据。材料和方法:采用酸溶酶解法提取罗非鱼皮胶原,运用体内外实验初步探讨鱼胶原的免疫原性。利用静电纺丝技术构建三种仿生罗非鱼胶原纳米纤维膜,通过一系列实验表征纤维膜的形态结构和理化性能。采用菌落计数法探讨纤维膜的抗菌性。利用细胞和分子生物学技术法分别研究三种罗非鱼胶原膜对人角质形成细胞(HaCaTs)、人真皮成纤维细胞(HDFs)、人脐静脉血管内皮细胞(HUVECs)或人牙周膜细胞(HPDLCs)粘附、增殖、迁移和分化的生物学效应,解释其发挥诱导皮肤或牙周组织再生的作用途径和机制。最后,通过构建鼠皮肤损伤模型和犬牙周缺模型,验证三种仿生罗非鱼胶原纳米纤维膜的体内修复效果,揭示其诱导组织再生的体内作用机制。结果:(1)成功提取纯度较高的罗非鱼皮胶原,初步提示其没有免疫原性。(2)成功构建仿生静电纺罗非鱼胶原、罗非鱼胶原/生物玻璃以及罗非鱼胶原/生物玻璃/壳聚糖三种新型纳米纤维膜。(3)三种罗非鱼胶原纳米纤维膜都具有良好的热稳定性和亲水性。罗非鱼胶原/生物玻璃复合纳米纤维膜的力学强度为(21.87±0.21)Mpa,完全满足皮肤对力学强度的要求。(4)罗非鱼胶原纳米纤维膜能促进HaCaTs分化相关基因(Involucrin、TGase1和Filaggrin)的表达以及HDFs COL-I的表达。(5)罗非鱼胶原纳米纤维膜和鱼胶原/生物玻璃复合纳米纤维膜能促进HaCaTs、HDFs和HUVECs的粘附和增殖,并激活TGF-β1/ERK1/2/MMP-9通路促进HaCaTs中MMP-9和TGF-β1的表达,从而加速表皮细胞迁移。(6)罗非鱼胶原纳米纤维膜和鱼胶原/生物玻璃复合纳米纤维膜均能明显促进鼠背部皮肤伤口愈合,并诱导皮肤组织的细胞分泌EGF、COL-I和VEGF。(7)罗非鱼胶原/生物玻璃/壳聚糖复合纳米纤维膜能促进HPDLCs的粘附、增殖和成骨相关基因(RUNX-2、OPN、OCN和ALP)的表达,激活ERK1/2/RUNX-2/OPN信号通路,促进犬牙周组织缺损愈合。(8)罗非鱼胶原/生物玻璃复合纳米纤维膜和罗非鱼胶原/生物玻璃/壳聚糖复合纳米纤维膜分别对金黄色葡萄球菌和变形链球菌具有一定的抑菌效果。结论:(1)成功制备具有主动诱导组织再生能力的仿生静电纺罗非鱼胶原纳米纤维膜,并构建具有一定抑菌能力的静电纺鱼胶原/生物玻璃、静电纺鱼胶原/生物玻璃/壳聚糖两种新型的复合纳米纤维膜用于皮肤创面或牙周组织缺损再生修复。(2)罗非鱼胶原纳米纤维膜和罗非鱼胶原/生物玻璃复合纳米纤维膜能有效调控人皮肤细胞的生物学行为,其中TGF-β1/ERK1/2/MMP-9可能是其诱导表皮细胞迁移的关键信号通路。(3)罗非鱼胶原纳米纤维膜和罗非鱼胶原/生物玻璃复合纳米纤维膜均能明显促进鼠皮肤伤口愈合,这主要与其能促进HaCaTs迁移和分化、HDFs分泌胶原、HUVECs增殖以及皮肤组织的细胞表达EGF、COL-I和VEGF有关。(4)罗非鱼胶原/生物玻璃/壳聚糖复合纳米纤维膜的仿生纳米结构、氨基酸组成和序列以及亲水性等能有效促进HPDLCs生物学效应的发挥及犬牙周组织缺损愈合,ERK1/2/RUNX-2/OPN可能是其发挥成骨作用的关键信号通路。本论文制备的三种新型静电纺罗非鱼胶原纳米纤维膜显示出良好的生物学活性和体内修复效果,有望用于皮肤和牙周组织再生修复。
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