人脐带间充质干细胞：膝关节炎治疗新方式

作者：史洋
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。

本文插图

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。