人脐带间充质干细胞：膝关节炎治疗新方式

2021-06-17 史洋

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）。