外伤、肿瘤切除或感染造成的大面积骨缺损在临床实践中不易愈合。骨修复材料有巨大的临床需求空缺，亟待优质人工骨材料来填补。胶原蛋白，作为一种细胞外基质的关键成分，而被广泛用于组织缺损修复。未经修饰的胶原蛋白支架是骨组织工程的瓶颈。由于其有限的机械和骨诱导性能，这些支架在修复大骨缺损方面表现不佳。

2023年08月26日，空军军医大学口腔医院牛丽娜教授团队在Chemical Engineering Journal（IF=15.1）上发表题为“The immunomodulatory effects of DNA-conjugated collagen scaffolds on bone healing”的研究文章。研究人员开发设计了一种新型骨修复海绵，将基因载体DNA交联至胶原蛋白上，作为能量补给池增强CD4+ T细胞的氧化磷酸化水平代谢，进而促进其向炎症抑制性调节性T细胞（Treg）向分化，以此实现骨缺损1周后的大量新骨修复。本研究中拜谱生物为其提供转录组测序服务，发现的差异基因有助于拓展DNA结合胶原蛋白支架对骨愈合的免疫调节的相关基因的认识。

文章名称：The immunomodulatory effects of DNA-conjugated collagen scaffolds on bone healing（CHEM ENG J，IF=15.1，2023.08）

客户单位：空军军医大学口腔医院

研究材料：大鼠血凝块

分组信息：DNA-Col和Col

拜谱提供技术：转录组测序

图1|DNA-Col促进骨修复机制图(图源：Jing-han Song, et al., CHEM ENG J., 20

研究结果

研究人员通过EDC/NHS交联体系将DNA锚定在胶原蛋白纤维上形成DNA交联的胶原海绵（DNA-Col），发现DNA上的磷酸基团与胶原分子胺基之间以稳定的共价键——磷酰胺键相连。同时，这种交联还会赋予海绵更高的机械强度。随后研究人员以大鼠拔牙后的牙槽骨缺损为模型，验证DNA-Col的骨组织修复效果，发现DNA-Col在体内表现出优异的促成骨效果。

研究人员提取骨缺损局部充填的材料及其周围包裹的血凝块，进行转录组测序分析，差异表达基因在火山图展示（图2D）。结果发现DNA-Col和Col之间的基因表达谱存在广泛的变化（图2A）。基因本体分析显示，DNA-Col诱导与免疫应答相关的基因上调，尤其是与适应性免疫应答相关的基因上调（图2B）。差异表达基因（DEGs）与参与T细胞发育、分化和功能的基因呈正相关。与t细胞活性相关的DEGs在本质上似乎更具调节性（图2C）此外，在DNA-Col样本中，负责促炎活性的基因显著下调（图2C）。总的来说，DNA-Col诱导免疫应答相关基因上调，尤其是与适应性免疫应答相关的基因出现上调。上调的差异表达基因多为参与Treg分化和功能的基因。

图2| 转录组测序结果(图源：Jing-han Song, et al., CHEM ENG J., 2023)

接下来，研究人员利用免疫荧光及流式细胞术检测CD4+ Foxp3+的Treg在骨缺损局部DNA-Col的分布及数量，结果显示DNA-Col的内部富集更多的Treg。Treg清除后的小鼠牙槽骨缺损模型中，DNA-Col的骨修复效果大打折扣，表明Treg在DNA-Col促成骨中发挥重要作用。最后，研究人员深入探究了DNA-Col引起CD4+ T细胞向Treg分化的机制，发现DNA-Col能够通过TLR4-p38-PGC-1α通路增强CD4+ T细胞的氧化磷酸化水平，进而促进其向Treg分化。

拜谱生物小结

作者通过交联将DNA与胶原蛋白结合，构建出一种新型基因海绵，通过DNA-Col与Treg相互作用的能力，确立了其作为生物活性骨再生支架的作用。这种基因海绵发挥促成骨作用是通过调节骨免疫微环境而实现的，本研究这一发现为在外科骨缺损的骨免疫环境中创造具有调节功能的智能硬组织工程材料开辟了道路。这一过程中拜谱生物提供了转录组学技术服务，拜谱生物已研发完成并建立了完善成熟的蛋白组学、代谢组学以及多组学联合产品技术服务体系，欢迎致电咨询！

参考文献：Song, J., Gu, J., Dang, G., Li, Z., Lei, C., Li, L., Mu, Z., Tay, F.R., Jiao, K., & Niu, L. (2023). The immunomodulatory effects of DNA-conjugated collagen scaffolds on bone healing. Chemical Engineering Journal.