意外和疾病引起的組織缺損嚴重降低了人們的生活質量，相比自然界的某些動物，例如蠑螈和壁虎，人類截肢后的再生能力十分有限，大段骨缺損的修復仍然是一個重大的臨床挑戰。

有些動物，如蜥蜴，可以在截肢后再生整個肢體。這一機制的研究表明，所涉及的細胞和分子機制與胚胎發育過程極為相似，干細胞和生物材料的進步改善了人工輔助組織再生策略，為患者們點亮了新的希望之光。

上海交通大學醫學院、上海口腔醫學研究所研究人員在Advanced Science雜志發表的題為“A Magnesium-Enriched 3D Culture System that Mimics the Bone Development Microenvironment for Vascularized Bone Regeneration”的文章，發現了MagT1對血管化骨再生的特定作用，成功地構建了一個富鎂3D培養系統，可以模擬骨發育微環境的血管化骨再生。
 

近年來，生物材料策略在修復大型骨缺損方面受到格外關注。以前的研究報告稱，生物材料的結構和組成盡可能地模擬天然骨組織，可顯著提高骨再生效率，例如將天然存在于骨基質內的生物活性離子，如銅離子、鍶離子和鎂離子（Mg²⁺）加入骨替代物中，可刺激血管化骨再生，然而有關這些生物活性離子的刺激效應的具體機制尚未完全了解。

通過研究小鼠胚胎，研究人員發現鎂轉運蛋白-1（MagT1）在軟骨內成骨區有選擇性地高表達，還檢測到MagT1在大鼠骨髓間充質干細胞(BMSCs)成骨分化過程中的高表達。有充分的文獻證明，軟骨內骨化是一種先天血管化骨形成的過程，表明MagT1的表達可用于血管化骨再生。有研究報道，通過生物材料釋放Mg²⁺可誘導大鼠骨髓間充質干細胞MagT1上調。

“因此，我們推測局部Mg²⁺積聚導致MagT1高表達可能模擬骨發育的微環境，從而誘導血管化骨形成。”文章作者寫道。本文重點探索了構建血管生成和成骨微環境的最佳Mg²⁺濃度，以及通過MagT1的下游信號通路，以闡明MagT1對血管化骨再生的特定作用。
 

圖1. 骨骼再生富鎂3D培養系統的構建圖式，Mg²⁺內流通過MagT1介導干細胞的成骨分化

首先，通過評估MagT1的表達水平，篩選出創建成骨微環境的最佳Mg²⁺濃度，并將其與干細胞的成骨分化能力相對應。體外成骨誘導使用了賽業OriCell®成骨誘導分化培養基，培養基中富含不同濃度的Mg²⁺，低濃度（0.1×10⁻³ M）抑制骨髓間充質干細胞（BMSCs）分化，高濃度（18×10⁻³ M）對骨代謝有不利影響，其中2.5×10⁻³ M和5×10⁻³ M組的MagT1表達顯著增加，綜合來看，2.5×10⁻³ M至5×10⁻³ M的Mg²⁺濃度為成骨誘導的最佳濃度。
 

圖2. Mg²⁺通過高表達的MagT1促進成骨分化

隨后討論Mg²⁺成骨誘導作用的分子機制。先將BMSCs培養于富含5×10⁻³ M Mg²⁺的培養基中，在不同時間點收樣進行Western Blot。結果表明Mg²⁺通過選擇性地激活MAPK/ERK通路誘導干細胞成骨分化，并且誘導成骨作用與MagT1介導的Mg²⁺流入密切相關。
 

圖3. Mg²⁺的骨誘導機制研究

接下來，研究人員著手制備合適尺寸的富鎂微囊以保證囊封細胞活力，一系列實驗表明，他們的富鎂微環境不僅能刺激干細胞成骨分化，還能促進新生血管形成，在大鼠體內使用這些富含Mg²⁺的細胞運載工具可觀察到明顯的血管化骨再生。

總而言之，研究人員的的生物再生方法為干細胞構建一個類似胚胎的微環境是一種很有潛力的骨再生策略，構建模擬發育微環境的生物材料可能為獲得更好的再生效果提供一種工具。

原文檢索：
A Magnesium-Enriched 3D Culture System that Mimics the Bone Development Microenvironment for Vascularized Bone Regeneration.

DOI: 10.1002/advs.201900209