Vascular niche bioengineering for human bone regeneration

点击翻译按钮获取中文摘要

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.