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: 9174589
• 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/9174589
• 关键词: Adipose tissue; Autologous; BMP2 gene; BMP7 gene; Biological Preservation; Bioluminescence; Biomedical Engineering; Blood Vessels; Bone Marrow; Bone Regeneration; Bone Transplantation; CRISPR/Cas technology; Calvaria; Candidate Disease Gene; Cell Density; Cues; Defect; Education; Endothelial Cells; Engraftment; Exposure to; Genes; Goals; Harvest; Human; Image; Immunodeficient Mouse; Implant; KITLG gene; Knock-out; Luciferases; MSX1 gene; Measures; Medicine; Mesenchymal Stem Cells; Modeling; Modification; Monitor; Morbidity - disease rate; Mus; Natural regeneration; Osteogenesis; Patients; Perfusion; Pericytes; Procedures; Process; Property; Regulation; Reporter; Research; Site; Source; Specificity; Stem cells; Testing; Tissues; Transplantation; Ultrasonography; Umbilical Cord Blood; United States; 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; promoter; receptor binding; regenerative therapy; small hairpin RNA; subcutaneous; substantia spongiosa; therapy development; transcription factor; 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.

项目总结/摘要   在美国，每年有超过100万患者接受骨修复手术。 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 或者，开发利用骨形成的治疗方法， 骨髓间充质干细胞（bmMSCs）的潜力仍然是优先考虑的问题， 然而，由于对骨再生医学的认识不足， 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一种 再生治疗是基于生物工程的骨诱导生态位的人骨髓间充质干细胞。 发现人bmMSC成骨潜能的体内保存依赖于维持与 内皮细胞（EC）和作为血管周围细胞的bmMSC的及时植入（Lin等， PNAS 2014）。 我们还发现，利用人髂嵴骨小梁内皮细胞（bECs）生物工程血管网络， 异位部位的内皮细胞可自发诱导bmMSCs向成骨细胞分化， 此外，我们已经鉴定了5个候选基因（BMP 2，BMP 7，NOG，KITLG， MSX 1）差异上调bEC。我们的总体假设是，生物工程微血管内衬 bEC作为bmMSCs的稳定小生境，通过调节特定的 此外，我们假设诱导多能干细胞（iPSC）可以提供丰富的骨诱导基因。 替代bEC的来源，消除了采集自体骨小梁的需要。 假设，并阐明精确的骨诱导因素，使人类小梁bEC独特的 调节骨生成，我们提出了三个具体目标。在Aim-101中，我们将对血管网络进行生物工程， 人bEC和bmMSC的细胞，并确定再生临界尺寸的原位骨缺损的能力。 目的- 我们将敲除每个候选bEC基因，并将确定对体内bEC的影响。 为此，我们将使用由人osterix启动子驱动的荧光素酶-β报告基因来测量 在Aim-2013中，我们将确定产生替代物的条件， 我们将检查iPSC-bEC衍生的EC（iEC）是否获得骨诱导性质， 移植到骨部位，反过来又能够自主调节bmMSCs的成骨活性， 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）骨诱导性 我们还将确定植入的iECs的长期（16周）骨修复能力 包含iECs和植入预先接受过培训的iECs是否能提高骨修复的程度。总的来说，我们 我们可以预见，这项研究可能成为骨缺损修复新策略的基础。