人脐带间充质干细胞:膝关节炎治疗新方式

2021
06/17

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史洋
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人脐带间充质干细胞提供膝关节骨性关节炎治疗新思路

骨性关节炎(Osteoarthritis, OA)是一种常见的慢性、退行性关节疾病。全球OA 患者数量高达3.55 亿,目前尚无逆转疾病进展的治疗手段。干细胞治疗OA在基础研究和临床试验上都取得了一定的效果,但仍然存在细胞治疗剂量大引起局部肿胀、疼痛的副反应,活细胞注入体内命运转归不明等问题,制约了其临床应用的推广。近年来,各种生物材料被广泛应用于递送细胞或药物,与单层细胞培养技术相比,这种三维细胞培养系统中具有更广泛的细胞-细胞和细胞-基质相互作用,使细胞处于最佳的生长状态,更利于发挥治疗作用。

发表于Chemical Engineering Journal 上的一篇名为Implanted 3D gelatin microcryogel enables low-dose cell therapy for osteoarthritis by preserving the viability and function of umbilical cord MSCs的研究论文证实低干细胞剂量可有效治疗OA。该研究构建脐带间充质干细胞(Umbilical cord mesenchymal stem cells, UCMSCs)和具有生物可相容性和降解性的明胶微凝胶(gelatin microcryogel, GM)复合物:UCMSC-GM,并证明GM提供的3D培养环境能够提高细胞的活性、分泌功能以及对抗异常力学载荷的能力,使UCMSCs在体内更持久地保留,持续分泌生长因子促进软骨修复和调节滑膜炎症,达到10倍剂量单纯细胞治疗的效果。

该研究首先应用微阵列芯片,高效、快速制备出明胶微凝胶材料,再逐步优化其力学强度、孔径、降解速度等性质,并进一步探索了不同的细胞种植浓度和体外培养时间对UCMSCs在材料上的增殖效率影响,从而筛选出UCMSC-GM较为高效的构建条件。


进一步功能学研究发现:相比较于平面培养的UCMSCs,GM提供的3D细胞培养环境能够促进干细胞释放表皮生长因子受体(Epidermal growth factor receptor, EGFR)信号通路的配体蛋白EGF和TGF-α,从而促进软骨细胞的生长,这可能是由于肿瘤坏死因子α转换酶(一种调控EGFR配体蛋白成熟和释放的重要金属蛋白酶)表达上调引起。共培养实验发现,相比较于平面培养的UCMSCs,UCMSC-GM更能促进软骨细胞的增值(Ki67),抑制其凋亡(TUNEL),促进其合成代谢(Col-2,Sox-9)并抑制其分解代谢(MMP-13,ADAMTS-5)的表达,而EGFR的抑制剂吉非替尼(Gefitinib)则能阻断这一作用,进一步证明了UCMSC-GM通过调控EGFR信号通路调控软骨细胞代谢状态的功能。另外,GM能够促进所搭载细胞的增殖,抑制其凋亡。由于力学环境对干细胞功能具有重要调控作用,研究者在体外模拟生理和病理条件下人膝关节腔内压力环境,并发现:单纯的细胞悬液在异常压力条件下活性及功能均明显减退,而这一作用未发生在UCMSC-GM中的干细胞中,提示GM能在压力环境下有效保护搭载细胞的活性及分泌生长因子的功能,为提升干细胞在OA患者异常关节腔压力下存活并发挥治疗作用提供基础。



为了探究干细胞植入关节后的命运转归,研究者应用小动物活体成像(Luciferase)示踪技术发现,相比较于小鼠关节腔注射的UCMSC悬液,植入的UCMSC-GM在体内保留的时间更久,这保证了细胞使用效率的提高。传统观念认为,移植的干细胞在组织缺损处定植生长、分化为损伤组织,是其发挥再生作用的主要机制。本研究使用绿色荧光蛋白(Green fluorescent protein, GFP)转染的UCMSC荧光定位示踪技术,发现移植入小鼠关节腔的UCMSCs主要定植于滑膜、半月板及软骨下骨,极少量分布在软骨组织,提示干细胞修复软骨损伤主要为间接作用,如分泌细胞因子增强内源性修复及抑制炎症反应。



为明确UCMSC-GM治疗OA效果上的优势,该研究使用内侧半月板胫骨韧带失稳术(Destablization of medial meniscus,DMM)手术模型诱导小鼠OA表型,然后关节腔内分别植入UCMSCs悬液和UCMSC-GMs。组织学结果表明,相比较于UCMSC细胞悬液,UCMSC-GM更能促进OA小鼠的软骨修复,促进软骨组织合成代谢(Col-2),抑制软骨分解代谢(ADAMTS-5,MMP13)的表达。另外,关节疼痛是影响OA患者生活质量最主要的症状,也是OA患者就医最主要的因素。研究表明滑膜炎症是OA疼痛产生的重要原因。因此,该研究进一步比较了UCMSCs和UCMSC-GMs对滑膜炎的治疗效果,包括抑制滑膜组织炎症细胞的浸润(CD68)和炎症因子(IL-1β,TNFα,CCL-3)的表达,最终能够缓解疼痛(Von Frey)。



综上所述,该研究明确了GM应用的最佳条件,探讨了GM对所搭载细胞活性和细胞因子分泌功能的促进作用。此外,GM增强了UCMSCs在体内的定植时间,从而显著提升了UCMSC修复软骨、抑制滑膜炎症和缓解关节疼痛的治疗效率,并且发现移植的UCMSC主要定植于滑膜,提示了干细胞治疗OA的新机制。


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关键词:
膝关节炎,干细胞,关节腔,脐带,充质,治疗,软骨,炎症,滑膜

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