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炎症微环境下香叶木素对骨髓间充质干细胞生物学特性的影响

申报人:王亚妮 申报日期:2025-03-21

基本情况

2025创新项目
炎症微环境下香叶木素对骨髓间充质干细胞生物学特性的影响 学生申报
创新训练项目
医学
基础医学类
学生自主选题
二年期
骨关节炎 (osteoarthritis,OA) 作为骨科常见的一种可致残的慢性退行性关节疾病,主要表现为关节软骨退化和关节炎症。骨髓间充质干细胞 (bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs) 具有自我更新与多向分化潜能,可在特定诱导条件下分化成软骨细胞,现已逐步应用于OA软骨损伤的修复,但局部炎症微环境限制了其移植应用效果。香叶木素 (Diosmetin,DSM) 是一种具有抗炎、抗氧化等活性的黄酮类化合物,研究表明天然化合物对 BMSCs 的增殖、分化和迁移有调控作用,从而促进关节软骨结构和生物力学的恢复来防治OA。本研究旨在模拟骨关节炎炎症微环境,探究香叶木素在炎症条件下对 BMSCs 增殖、迁移和凋亡的作用,以及对炎症环境的影响,并通过构建小鼠膝骨关节炎 (knee osteoarthritis,KOA) 模型研究香叶木素对BMSCs治疗OA的调控作用,为骨关节炎的临床治疗提供了实验基础和新的思路。
参与济宁医学院2024年大学生创新训练项目1项,参与济宁医学院第十九届挑战杯项目1项。
主持山东省自然科学基金1项、校级基金3项,参与国家自然科学基金面上项目2项。
该生对本课题相关知识与理论研究比较透彻,参考了许多文献资料。本课题结构合理,内容完整,具有创新性。
同意该课题开展。 
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
王亚妮 口腔医学院 口腔医学(本科) 2023 Western blot等细胞生物学实验
朱超越 医学影像与检验学院 医学影像学(本科) 2022 HE染色及Masson染色
叶子青 口腔医学院 口腔医学(本科) 2022 CCK-8实验与transwell实验
张腾 临床医学院(附属医院) 临床医学(本科) 2023 细胞培养
周嘉豪 口腔医学院 口腔医学(本科) 2023 流式细胞仪检测与动物模型构建
许卜文 护理学院 护理学(四年制本) 2023 ELISA实验

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
李海滨 精准医学研究院

立项依据

本文通过模拟人骨关节炎组织微环境,探究炎症环境下香叶木素对骨髓间充质干细胞增殖、迁移和凋亡的影响以及在治疗骨关节炎中的潜在作用。
1. 分离培养小鼠 BMSCs 细胞,筛选香叶木素浓度
① BMSCs的分离和培养:将小鼠脱颈处死,无菌条件下分离股骨和胫骨,剪去干垢端,用含10%胎牛血清 的DMEM 培养液冲洗骨髓腔,直至腔发白。将吹打均匀的细胞悬液接种于培养瓶中,置于 37℃、5% CO₂培养箱中,过夜换液。以后每隔1-2天换液,直至细胞达到90%融合,传代培养。
② 最佳浓度筛选:设置空白对照组(仅含DMEM+10%FBS+双抗)和6个不同浓度的香叶木素处理组,分别用不同浓度的香叶木素处理BMSCs细胞。分别培养24h、48h,通过CCK-8法检测细胞活性,筛选最佳香叶木素浓度。
2. 体外炎症微环境构建及分组处理
① 采用10ng/mL TNF-a体外诱导模拟炎症微环境。
② 分四组实验,空白组(DMEM+10%FBS+双抗),TNF-a组(DMEM+10%FBS+双抗+10ng/mL TNF-a),香叶木素组(DMEM+10% FBS+双抗+DSM),TNF-a+香叶木素组(DEME+10%FBS+双抗+10ng/mLTNF-a+DSM)。
3. 炎症微环境下香叶木素对炎症因子表达的影响
通过酶联免疫吸附实验(ELISA)检测IL-1β、IL-10、IL-6的水平。
4. 炎症微环境下香叶木素对BMSCs增殖和迁移的影响
① 通过CCK-8实验、流式细胞实验检测细胞增殖;
② 通过 Transwell 细胞迁移实验检测细胞迁移。
5. 炎症微环境下香叶木素对BMSCs凋亡的影响
① 通过流式细胞仪检测各组细胞凋亡率;
② 采用Western blot法检测各组细胞凋亡相关蛋白B、淋巴细胞瘤-2基因(Bcl-2)、Bcl-2相关X蛋白(Bax)、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(caspase-3、caspase-8、caspase-9)。
6. 小鼠膝关节OA模型构建
小鼠膝关节腔内注射木瓜蛋白酶构建OA模型,分假手术组、模型组、BMSCs组、香叶木素与BMSCs组。
① 利用观察软骨损伤和修复情况;
② 通过ELISA实验检测IL-6、IL-10、IL-1β、TNF-α的水平。
 
骨关节炎(osteoarthritis,OA)是一种常见的慢性关节退行性疾病,主要病理特征包括关节软骨退化、骨赘形成、软骨下骨硬化、不同程度滑膜增生、滑膜炎症、半月板变性等,临床表现为疼痛、僵硬、肿胀、畸形及关节功能障碍[1]。随着全球人口老龄化趋势加剧,OA发病率逐年上升,已成为影响老年人生活质量的重要疾病[2]。此外,软骨组织主要由软骨细胞、细胞外基质和纤维构成,由于缺乏血管、神经及淋巴管,其自愈能力有限,受损后难以有效修复[3]。
目前,对于OA的临床治疗在手术和药物方面已经取得了一定的临床进展,如非甾体抗炎药(NSAIDs)、透明质酸(HA)、止痛药等。然而大多集中于控制炎症、缓解疼痛、肿胀及改善关节活动受限等症状,无法遏制关节的进行性退化[4,5]。因此,探索新型治疗策略对于OA患者具有重要临床意义。
骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)是一种来源于骨髓的多能干细胞,具有自我更新、多向分化潜能、抗炎的和免疫调节能力,以及“归巢”特性,使其成为组织修复和再生医学领域的研究热点[6]。大量研究表明,BMSCs在OA的治疗中展现出巨大的潜力,可以通过向软骨细胞分化、抑制破骨细胞相关因子、调控KDM6A/SOX9信号通路等机制改善 OA 的病理进程 [7–9]。此外,细胞生存的局部微环境对细胞的活性和功能至关重要,炎症微环境会影响间充质干细胞的增殖和迁移等多种生物学功能。OA进展过程往往伴随细胞的衰老,衰老细胞会释放促炎因子,如IL-1和TNF家族成员,表明BMSCs对OA的治疗作用有限[10,11]。
香叶木素(Diosmetin)是一种天然甲氧基黄酮类化合物,广泛存在于菊花、留兰香、蜘蛛香等天然药物和柠檬、柑橘、花生等果实中,具有抗炎、抗氧化、抗凋亡、抗肿瘤等生物活性,目前已广泛用于慢性疾病的防治[12]。近年研究发现,香叶木素能够通过激活Nrf2/HO-1通路、抑制NF-κB通路以减轻 OA炎症及细胞外基质降解;Ding等研究证实,香叶木素能够通过抑制RANKL诱导的破骨细胞生成、减少软骨细胞凋亡,从而缓解软骨下骨丢失,进而对OA起到一定的治疗作用[13,14]。已有研究表明,中药及其有效成分和中药复方预处理骨髓间充质干细胞能够增强其增殖和成软骨分化能力,达到治疗骨关节炎的目的[15],如左归丸[16]、右归饮[17]、淫羊藿苷[18]等。然而,关于香叶木素对骨髓间充质的调控作用及二者联合对骨关节炎的治疗作用还未见报道。
本研究主要通过模拟人OA发生的在体微环境,研究香叶木素在炎症微环境下对骨髓间充质干细胞增殖、迁移和凋亡的影响,并利用小鼠骨关节炎模型观察关节软骨的形态学变化,以评估香叶木素联合 BMSCs对骨关节炎的治疗潜力。本课题有助于进一步探寻香叶木素的潜在价值,从而为开拓OA治疗新策略提供理论依据。
参考文献:
[1] Kolasinski SL, Neogi T, Hochberg MC, et al. 2019 American College of Rheumatology/Arthritis Foundation Guideline for the Management of Osteoarthritis of the Hand, Hip, and Knee[J]. Arthritis Care & Research, 2020, 72(2): 149-162.
[2] Qin J, Barbour KE, Murphy LB, et al. Lifetime Risk of Symptomatic Hand Osteoarthritis: The Johnston County Osteoarthritis Project[J]. Arthritis & Rheumatology (Hoboken, N.J.), 2017, 69(6): 1204-1212.
[3] Le H, Xu W, Zhuang X, et al. Mesenchymal stem cells for cartilage regeneration[J]. Journal of Tissue Engineering, 2020, 11: 2041731420943839.
[4] Hochberg MC, Altman RD, April KT, et al. American College of Rheumatology 2012 recommendations for the use of nonpharmacologic and pharmacologic therapies in osteoarthritis of the hand, hip, and knee[J]. Arthritis Care & Research, 2012, 64(4): 465-474.
[5] 彭堃. 骨髓间充质干细胞源性外泌体通过上调Wnt3a促进软骨细胞再生、修复[D]. 承德医学院, 2024.
[6] Liu J, Gao J, Liang Z, et al. Mesenchymal stem cells and their microenvironment[J]. Stem Cell Research & Therapy, 2022, 13(1): 429.
[7] Murphy MB, Moncivais K, Caplan AI. Mesenchymal stem cells: environmentally responsive therapeutics for regenerative medicine[J]. Experimental & Molecular Medicine, 2013, 45(11): e54.
[8] 季健坤. 骨髓间充质干细胞通过调节膝关节骨关节炎大鼠的KDM6A/SOX9信号通路发挥治疗作用的影响[D]. 青海大学, 2023.
[9] 冯唱. 骨髓间充质干细胞通过抑制破骨细胞相关因子改善KOA[D]. 青海大学, 2023.
[10] 谢晓琳. 炎症微环境对间充质干细胞衰老的影响及机制研究[D]. 武汉大学, 2020.
[11] Tian R, Su S, Yu Y, et al. Revolutionizing osteoarthritis treatment: How mesenchymal stem cells hold the key[J]. Biomedicine & Pharmacotherapy = Biomedecine & Pharmacotherapie, 2024, 173: 116458.
[12] 赵艺宁, 韩叶枫, 梁建坤, 等. 香叶木素自微乳的制备[J]. 中成药, 2022, 44(5): 1588-1593.
[13] Ding H, Ding H, Mu P, et al. Diosmetin inhibits subchondral bone loss and indirectly protects cartilage in a surgically-induced osteoarthritis mouse model[J]. Chemico-Biological Interactions, 2023, 370: 110311.
[14] Qian L, Li C, Liu H, et al. Diosmetin ameliorates osteoarthritic inflammation in vivo and ECM macromolecules degradation in interleukin-1β-stimulated murine chondrocytes through the Nrf2/NF-κB pathway[J]. Folia Histochemica Et Cytobiologica, 2024, 62(2): 99-109.
[15] 蒋国鹏, 李晶, 马小愉, 等. 单味中药提取物及有效成分对骨髓间充质干细胞增殖和分化的研究进展[J]. 辽宁中医杂志, 2023, 50(6): 247-250.
[16] 徐凌霄, 王芳, 郭敦明, 等. 左归丸对间充质干细胞向软骨细胞分化过程中Ⅱ型胶原及蛋白多糖基因表达的影响[J]. 中国中西医结合杂志, 2011, 31(12): 1662-1668.
[17] 陈祁青, 金红婷, 吴承亮, 等. 右归饮含药血清对TGF-β1诱导骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化的影响[J]. 浙江中医药大学学报, 2015, 39(4): 304-311.
[18] 肖军, 马德彰, 杨钟华, 等. 淫羊藿苷促进人骨髓间充质干细胞成软骨分化的研究[J]. 中华实验外科杂志, 2013(7): 1357-1359.
1. 创新点:
本项目将天然药物(香叶木素)与干细胞治疗相结合,探索天然化合物在干细胞治疗中的潜在应用,不仅为天然药物的开发提供了新方向,也为干细胞治疗的优化提供了新思路。
2. 项目特色:
① 研究背景的临床相关性:炎症是骨关节炎的核心病理特征,研究炎症微环境对BMSCs的影响具有直接的临床应用价值。
② 天然药物与干细胞治疗结合:研究香叶木素对BMSCs的影响,可能为炎症相关疾病(如骨关节炎、组织损伤修复等)提供新的治疗策略。 
技术路线:
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拟解决的关键问题:
本课题拟解决的关键问题是揭示炎症微环境下香叶木素对骨髓间充质干细胞生物学行为的影响及作用机制,探索天然药物治疗骨关节炎的潜在应用。
预期成果:
本项研究预期在Ⅰ类核心期刊发表文章2篇。 
本项目计划2年完成,进度安排如下:
(1)2025.06-2026.05
正常条件下,CCK-8检测不同浓度香叶木素对BMSCs增殖的影响;
香叶木素对炎症因子表达的影响;
炎症条件下,香叶木素对BMSCs增殖与迁移的影响;
(2)2026.06-2027.05
流式细胞仪检测各组细胞凋亡率;
Western blot检测各组细胞凋亡相关蛋白B、Bcl-2、Bax、caspase-3、caspase-8、caspase-9表达情况;
构建小鼠骨关节炎模型,HE染色和Masson染色观察软骨损伤和修复情况,ELISA检测IL-6、IL-10、IL-1β、TNF-α的水平;
整理研究结果,撰写论文,完成课题资料的结题工作。 
1.1 研究经历
项目负责人王亚妮:2023级口腔医学院口腔医学3班学生。自2023年11月以来跟随精准医学研究院老师学习细胞生物学相关方面的知识。在此期间,对细胞生物学的研究方法有了一定的认识,并能熟练掌握细胞培养、PCR、RNA提取、蛋白提取、Western blot等生物学实验技术。具有自主学习和论文查阅能力,善于求知与探索,通过自身强大的组织能力带领团队成员更好地参与项目。在前期进行了全面的文献筛查与数据收集,为项目实施做了充足的准备。
指导老师李海滨:主要研究骨/韧带组织损伤的力学生物学调控及其修复机制,在骨与关节相关疾病及干细胞研究领域成果丰硕。在干细胞分化研究方面,证实机械生长因子(MGF)能促进人骨髓间充质干细胞向成骨、成脂、成软骨方向分化,且使细胞增殖速率降低、G1期延长。在骨关节炎研究上,发现机械生长因子-E(MGF-E)肽对骨关节炎成纤维样滑膜细胞有调节作用,能诱导细胞凋亡和内质网应激,下调炎症因子水平,展现出潜在的抗炎特性。在软骨损伤修复领域,通过兔模型实验,验证了MGF和TGF-β3功能化丝素支架可促进关节透明软骨再生,为软骨损伤修复提供了新途径 。这些成果为香叶木素与干细胞联合对骨关节炎的治疗和组织修复提供了重要的理论依据和实践方向。
1.2 前期工作基础
1.2.1 小鼠骨髓间充质干细胞分离、培养
前期工作中,用全骨髓培养法分离、培养出小鼠BMSCs,光学显微镜下观察,细胞呈不规则长梭形(图1),贴壁生长。取生长状况良好的第3-5代细胞用于后续实验。
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图1. 光学显微镜下小鼠BMSCs形态图(10×)
1.2.2 香叶木素对小鼠骨髓间充质干细胞活力的影响
前期实验结果显示,香叶木素对BMSCs的活性具有浓度依赖性,高浓度香叶木素对BMSCs的活力表现出抑制作用,而10、20 μmol/L浓度的香叶木素能显著提高BMSCs的活力。后续我们将选用10 μmol/L的香叶木素进行研究。
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图2. CCK-8检测香叶木素对BMSCs的活性影响 
本课题依托济宁医学院精准医学研究院省重点实验室。精准医学研究院主要致力于精准医学的基础和临床研究,特别是慢性疾病,如心血管疾病、关节炎、肿瘤等的精确诊断、精准治疗、个性化预防以及风险预测等方面的研究。
研究院现有专职科研人员20余人,包括从国内外高校引进的优秀博士和博士后18人。形成了人才梯队合理、科研实力雄厚、具有较强国际竞争力的科研团队。依托我校精准医学研究院的科研平台,于2022年获批山东省慢性非传染性疾病精准医学特色实验室,2017年获批“十三五”山东省高等学校肿瘤精准医学重点实验室。
研究院拥有分子生物学实验室、标准化细胞培养室、病理室、SPF级动物房等。实验仪器上有激光共聚焦显微镜、流式细胞仪、荧光定量PCR仪、小动物活体成像仪、荧光显微镜等实验所需仪器设施,在研究设施上保证了本项目的顺利进行。
本课题指导教师为精准医学研究院教师李海滨博士,主要研究骨或韧带组织损伤的力学生物学调控及其修复机制。主持山东省自然科学基金项目1项,校级项目3项,参与国家自然科学基金面上项目2项。曾指导本科生参加第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛获二等奖。 

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 20000.00 10000.00 10000.00
1. 业务费 4000.00 0.00 4000.00
(1)计算、分析、测试费 0.00 0.00 0.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 0.00 0.00 0.00
(4)文献检索费 0.00 0.00 0.00
(5)论文出版费 4000.00 发表文章版面费 0.00 4000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 0.00 0.00
4. 材料费 16000.00 细胞培养相关试剂、香叶木素、CCK-8、ELISA及凋亡试剂盒、TNF-α、Western blot相关试剂、小鼠、木瓜蛋白酶、HE和Masson染色试剂及耗材等 10000.00 6000.00
结束