Vascular niche bioengineering for human bone regeneration

用于人骨再生的血管生态位生物工程

• 批准号: 9898291
• 负责人: Juan M Melero-Martin
• 金额: $ 38.94万
• 依托单位: BOSTON CHILDREN'S HOSPITAL
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2016-05-16 至 2021-04-30
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/9898291
• 关键词: Adipose tissue; Autologous; BMP2 gene; BMP7 gene; Bioluminescence; Biomedical Engineering; Blood Vessels; Bone Marrow; Bone Regeneration; Bone Transplantation; CRISPR/Cas technology; Calvaria; Candidate Disease Gene; Cell Density; Clinical; Cues; Defect; Education; Endothelial Cells; Engraftment; Exposure to; Genes; Genetic Transcription; Goals; Harvest; Human; Human Activities; Immunodeficient Mouse; Implant; KITLG gene; Knock-out; Luciferases; MSX1 Transcription Factor; MSX1 gene; Measures; Medicine; Mesenchymal Stem Cells; Modeling; Modification; Monitor; Morbidity - disease rate; Mus; Natural regeneration; Osteogenesis; Patients; Perfusion; Pericytes; Physiologic Ossification; Procedures; Process; Property; Regulation; Reporter; Research; Site; Source; Specificity; Testing; Time; Tissues; Transplantation; Ultrasonography; Umbilical Cord Blood; United States; Vascular Graft; Vascularization; base; bone; contrast enhanced; human stem cells; human tissue; improved; in vivo; induced pluripotent stem cell; knock-down; microCT; osteogenic; osteoinductive factor; overexpression; paracrine; preservation; promoter; receptor binding; regenerative therapy; small hairpin RNA; stem cells; subcutaneous; substantia spongiosa; therapy development; transcriptome sequencing

PROJECT SUMMARY/ABSTRACT    Every year, >1 million patients undergo bone repair procedures in the United States. Autologous bone grafting  remains the preferred treatment for bone defects, but this practice is limited by bone availability and donor site  morbidity  from  harvesting  the  bone.  Alternatively,  the  development  of  therapies  that  exploit  the  osteogenic  potential  of  bone  marrow-­derived  mesenchymal  stem  cells  (bmMSCs)  continues  to  be  a  priority  in  osteoregenerative  medicine.  However,  efforts  remain  largely  empirical  due  to  poor  understanding  of  the  mechanisms regulating bmMSC engraftment and osteogenic activity in vivo. Our long-­term goal is to develop a  regenerative  therapy  that  is  based  on  bioengineering  an  osteoinductive  niche  for  human  bmMSCs.  We  have  found that the in vivo preservation of human bmMSC osteogenic potential depends on sustaining proximity to  endothelial cells (ECs) and on the timely engraftment of bmMSCs as perivascular cells (Lin et al., PNAS 2014).  We have also found that vascular networks bioengineered using human iliac crest trabecular bone ECs (bECs)  could spontaneously induce osteogenic differentiation of bmMSCs at ectopic sites. In contrast, ECs from other  human  tissues  could  not.  In  addition,  we  have  identified  five  candidate  genes  (BMP2,  BMP7,  NOG,  KITLG,  MSX1) differentially upregulated in bECs. Our overarching hypothesis is that bioengineered microvessels lined  with bECs serve as stable niches for bmMSCs and autonomously drive osteogenesis via regulation of specific  osteoinductive genes. Moreover, we postulate that induced pluripotent stem cells (iPSCs) could offer a plentiful  source  of  surrogate  bECs,  eliminating  the  need  for  harvesting  autologous  trabecular  bone.  To  test  these  hypotheses  and  to  elucidate  the  precise  osteoinductive  factors  whereby  human  trabecular  bECs  uniquely  regulate osteogenesis, we propose three Specific Aims. In Aim-­1, we will bioengineer vascular networks with  human bECs and bmMSCs and determine the capacity to regenerate critical-­sized orthotopic bone defects. In  Aim-­2,  we  will  determine  the  factors  responsible  for  the  unique  in  vivo  osteoinductive  potential  of  human  trabecular  bECs.  We  will  knockout  each  candidate  bEC  gene  and  will  determine  the  effect  on  in  vivo  osteogenesis. To this end, we will use a luciferase-­reporter driven by the human osterix promoter to measure  bmMSC osteogenic activity via bioluminescence. In Aim-­3, we will determine conditions to generate surrogate  bECs from iPSCs. We will examine whether iPSC-­derived ECs (iECs) acquire osteoinductive properties upon  transplantation into bone sites and are in turn able to autonomously regulate the osteogenic activity of bmMSCs  in  vivo.  We  will  use  our  murine  calvarial  bone  defect  model  to  determine  the  extent  of  in  vivo  osteogenic  education  of  iECs  by  measuring  (i)  transcriptional  profile  modifications  (RNAseq)  and  (ii)  osteoinductive  properties in engrafted iECs. We will also determine the long-­term (16 weeks) bone repair capability of constructs  containing iECs and whether implanting pre-­educated iECs improves the extent of bone repair. Collectively, we  envision this research could become the basis for a new strategy in the repair of bone defects.

项目摘要/摘要    每年，超过 100 万患者在美国接受骨修复手术。 自体骨移植  仍然是骨缺损的首选治疗方法，但这种做法受到骨可用性和供体部位的限制  因采集骨头而发病。  或者，开发利用成骨作用的疗法  骨髓间充质干细胞 (bmMSC) 的潜力仍然是优先考虑的问题  骨再生医学。  然而，由于对实际情况了解甚少，这些努力在很大程度上仍然是经验性的。  调节 bmMSC 植入和体内成骨活性的机制。 我们的长期目标是开发  基于生物工程的再生疗法和人类骨髓间充质干细胞的骨诱导利基。  我们有  发现人类 bmMSC 成骨潜力的体内保存取决于维持与  内皮细胞 (EC) 以及 bmMSC 作为血管周围细胞的及时植入（Lin 等人，PNAS 2014）。  我们还发现，使用人髂嵴骨小梁 EC（bEC）进行生物工程改造的血管网络  可以在异位部位自发诱导 bmMSC 成骨分化。 相比之下，来自其他国家的 EC  人体组织则不能。  此外，我们还鉴定了五个候选基因（BMP2、BMP7、NOG、KITLG、  MSX1) 在 bEC 中差异上调。 我们的首要假设是生物工程微血管内衬  bEC 作为 bmMSC 的稳定生态位，并通过特定的调节自主驱动成骨  骨诱导基因。 此外，我们假设诱导多能干细胞 (iPSC) 可以提供充足的  替代 bEC 的来源，消除了采集自体小梁骨的需要。  要测试这些  假设并阐明精确的骨诱导因素，从而使人类小梁 bEC 具有独特的作用  调节成骨，我们提出了三个具体目标。 在目标 1 中，我们将对血管网络进行生物工程  人类 bEC 和 bmMSC 并确定再生临界尺寸原位骨缺损的能力。 在  目标 2，我们将确定人类独特的体内骨诱导潜力的因素  小梁 bEC。  我们将敲除每个候选 bEC 基因，并确定其对体内的影响  成骨。 为此，我们将使用由人类 osterix 启动子驱动的荧光素酶报告基因来测量  bmMSC 通过生物发光进行成骨活性。 在目标 3 中，我们将确定生成代理的条件  来自 iPSC 的 bEC。 我们将检查 iPSC 衍生的 EC (iEC) 是否获得骨诱导特性  移植到骨部位，并能够自主调节 bmMSC 的成骨活性  在体内。  我们将使用我们的小鼠颅骨骨缺损模型来确定体内成骨的程度  通过测量 (i) 转录谱修饰 (RNAseq) 和 (ii) 骨诱导来对 iEC 进行教育  植入 iEC 中的特性。 我们还将确定结构的长期（16 周）骨骼修复能力  含有 iEC 以及植入预先教育的 iEC 是否可以提高骨修复的程度。 总的来说，我们  预计这项研究可能成为修复骨缺损的新策略的基础。

项目成果

Spatiotemporal release of BMP-2 and VEGF enhances osteogenic and vasculogenic differentiation of human mesenchymal stem cells and endothelial colony-forming cells co-encapsulated in a patterned hydrogel.

• DOI: 10.1016/j.jconrel.2015.12.031
• 发表时间: 2016-02-10
• 期刊: Journal of controlled release : official journal of the Controlled Release Society
• 作者: Barati D;Shariati SRP;Moeinzadeh S;Melero-Martin JM;Khademhosseini A;Jabbari E
• 通讯作者: Jabbari E