Bone defect repair using allogenic bone carrying bone morphogenetic protein-2 and gene transfected bone marrow mesenchymal stem cells

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0458

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Bone tissue engineering technology brings a new path to treat bone defects, and moreover, gene transfection optimizes the effects of tissue-engineered bone in bone repair.
OBJECTIVE: To observe the effect of allogenic bone carrying bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) and basic fibroblast growth factor (bFGF) transfected bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) in the repair of critical-sized bone defects of the sheep ilium.
METHODS: Nine Altay sheep were taken to make animal models of critical-sized bone defects in the bilateral ilia. Allogenic bone carrying BMP-2 and bFGF-transfected BMCSCs was implanted into the left side of the ilium (n=9, experimental group), while allogenic bone carrying BMSCs (n=3, cell scaffold group), allogenic bone (n=3, allogenic bone group) and β-tricalcium phosphate (n=3, β-TCP group) were implanted into the right side of the ilium, respectively. Histological observation and immunohistochemical staining were performed at 4, 8, 12 weeks after implantation.
RESULTS AND CONCLUSION: Findings from histological observation showed that: at 12 weeks after implantation, the experimental group exhibited obvious bone remodeling, largely absorbed bone allograft, gradually reduced osteoclast-like cells and increased osteoblast-like cells, clear trabecular structure, dense bone matrix around the trabecular bone, and large area of flaky new bone tissues. Bone materials also degraded in the other three groups, but no remodeling occurred. Immunohistochemical staining showed that at 12 weeks after implantation, bone sialoprotein type I collagen in the experimental group were strongly positive, while they were weakly expressed in the remaining three groups. Overall, our findings indicate that the allogenic bone carrying BMP-2 and bFGF-transfected BMSCs can thoroughly repair critical-sized bone defects of the sheep ilium.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

Key words: Bone Morphogenetic Proteins, Basic Fibroblast Growth Factor 2, Stem Cells, Tissue Engineering

CLC Number:

R394.2

Wang Xiao-zhi, Yang Hua, Zhang Chen, He Hui-yu, Ba Jiao-jiao. Bone defect repair using allogenic bone carrying bone morphogenetic protein-2 and gene transfected bone marrow mesenchymal stem cells[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(9): 1313-1318.

Figures/Tables 1

2.1 实验动物数量分析植入后4，8，12周观察，实验动物均未感染或死亡，伤口愈合良好，均进入结果分析。 2.2 大体观察结果植入后4周，实验组术区骨膜覆盖完好，骨皮质高度与周围骨平齐，口腔探针检测硬度无明显下降，剖面可见植入材料与周围骨界限较清晰，植入材料内部见致密结缔组织，至8，12周时骨皮质连续性、高度及硬度均与周围正常骨组织一致，且剖面见植入材料与周边骨组织界限不清。术后4周，细胞支架组术区骨膜覆盖完好，骨皮质表面虽连续，但有个别点状凹陷，口腔探针检测硬度无明显下降，剖面可见植入材料与周围骨界限较清晰，植入材料内部见结缔组织，随时间点推移有所增加，但不明显，总体较实验组疏松，植骨区特别是中间部位硬度随时间推移有所下降。术后4周，同种异体骨组术区骨膜覆盖完整，骨皮质表面虽连续，但普遍存在点状及槽状凹陷，口腔探针检测硬度较周围正常骨组织降低，剖面可见植入材料与周围骨界限较清晰，植入材料内部见结缔组织，结缔组织内可见部分支架材料松散存在，随时间点推移有所增加，但不明显，总体较实验组疏松，植骨区特别是中间部位硬度随时间推移明显降低。术后4周，磷酸三钙组术区骨膜覆盖完好，但皮质骨明显突出隆起，高于周围正常组织，口腔探针检测硬度与周围正常骨组织基本一致，剖面见术区皮质骨明显增厚隆起，植入材料与周围骨组织界限清楚，材料松散存在，结构性差，植入材料内部见结缔组织，随时间推移变化不明显。 2.3 组织学观察结果植入4周末，实验组术区同种异体骨支架骨存在部分吸收，周围常见多核破骨样细胞围绕，支架被纤维结缔组织包裹，植入材料与周围骨组织界面区可见大片连续的成骨样细胞及成软骨样结构，术区中央个别位点可见新形成的骨小梁结构，并可见成骨样细胞呈圈状排列，见图2。至8，12周，术区同种异体骨材料大范围吸收，破骨样细胞逐渐减少，成骨样细胞增多，骨小梁周围骨纤维基质逐渐致密，可见大面积成片状新骨，骨小梁结构清晰，术区始终未见炎性细胞浸润。植入4周末，细胞支架组苏木精-伊红染色显示术区同种异体支架骨少量吸收，周围常见多核破骨样细胞围绕，少量成骨细胞，支架被纤维结缔组织包裹，但较实验组明显稀疏，植入材料与周围骨组织界面区可见连续的成骨样细胞及成软骨样结构，术区中央为无活性样死骨结构。至8，12周，支架骨材料存在一定量的降解吸收，中央区依然为无活性样骨结构，骨小梁内纤维结缔组织较4周时略致密。植入4周末，同种异体骨组、磷酸三钙组植入材料与周围骨组织界面区可见连续的成骨样细胞及成软骨样结构，术区中央主要为无活性样死骨结构，细胞成分较单一，至8，12周末变化不明显。 2.4 免疫组织化学观察结果实验组：植入后4周末，在术区可见中等量阳性表达的骨涎蛋白及Ⅰ型胶原，术区细胞间质可见大范围棕黄染色，且植入材料与正常骨界面区较多，植入材料中央也可见阳性表达，随时间点推移，阳性表达范围明显增加，以致棕黄色染色连成片状布满视野(图3，4)。细胞支架组：植入后各时间点骨涎蛋白及Ⅰ型胶原表达在少量细胞间质部位为阳性，多在植入材料与正常骨界面区，棕黄色染色不连续，呈小范围片状，随时间点推移，阳性染色范围略有增加，但不明显。同种异体骨组：植入后各时间点骨涎蛋白及Ⅰ型胶原表达在少数细胞间质部位为弱阳性，分散存在，植入材料中央未见，随时间推移弱阳性表达未见增强及扩大。磷酸三钙组：植入后各时间点骨涎蛋白及Ⅰ型胶原表达仅在个别细胞间质部位为弱阳性，分布较散，植入材料中央未见，且与时间长短不成比例，其余部位基本未见表达。 2.5 免疫组化统计分析结果各组免疫组织化学骨涎蛋白、Ⅰ型胶原阳性表达平均光密度值结果见表1，2。组间方差分析显示差异有统计学意义(P < 0.05)。由表可看出各组骨涎蛋白及Ⅰ型胶原阳性表达的平均光密度值在各组中随时间推移略有增加，但实验组平均光密度值均明显高于其他各组(P < 0.05)，但其自身在时间上并无统计学差异。细胞支架组、同种异体骨组、磷酸三钙组各组间两指标比较差异均无显著性意义。"

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