干细胞-材料复合物：低细胞剂量治疗骨性关节炎
近年来，生物材料被广泛应用于递送细胞或药物，与2D细胞培养相比，3D细胞培养具有更广泛的细胞-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。
2021年2月25日，华中科技大学同济医学院附属协和医院骨科研究团队在期刊Chemical Engineering Journal（IF:10.652）上发表了题为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。
本项研究构建了一种复合物UCMSC-GM，由脐带间充质干细胞（UC-MSCs）和明胶微凝胶（gelatin microcryogel, GM）组成。研究证明：GM可提供能提高细胞活性、分泌功能以及对抗异常力学载荷能力的3D培养环境。经GM培养并递送植入的UC-MSCs在体内保留时间更长，可持续分泌生长因子，从而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，为骨关节炎低细胞剂量治疗提供了新思路。
该团队前期研究显示，UC-MSCs能够减轻软骨表层细胞损伤，并抑制巨噬细胞介导的滑膜炎症，且三次给药的疗效优于单次[1]。基于前期研究成果，本研究进一步探讨材料-细胞复合物降低细胞治疗剂量的可行性。
本研究首先运用微阵列芯片，高效、快速制备出明胶微凝胶材料，逐步优化其力学强度、孔径、降解速度等性质，进一步探索了不同的细胞种植浓度和体外培养时间对UC-MSCs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。
图：明胶微凝胶材料的构建
功能学研究发现：相比较于2D培养的UC-MSCs，GM提供的3D细胞培养环境能够促进干细胞释放EGF和TGF-α，从而促进软骨细胞的生长。这可能是由于TGF-α转换酶（一种调控EGFR配体蛋白成熟和释的重要金属蛋白酶）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殖（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，而在UCMSC-GM中的干细胞活性及功能减退不明显。这说明：GM能在压力环境下有效保护细胞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UC-MSCs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（GFP）转染的UC-MSCs荧光定位示踪技术，发现移植入小鼠关节腔的UC-MSCs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旁分泌作用，如分泌细胞因子增强内源性细胞修复及抑制炎症反应。
图：经GFP转染的UC-MSCs和UCMSC-GM体内定位
为明确UCMSC-GM治疗OA效果上的优势，本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UC-MSCs悬液和UCMSC-GMs。组织学结果表明，相比较于UC-MSC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，本研究比较了UC-MSCs和UCMSC-GM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。
综上所述，本研究明确了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。GM增强了UC-MSCs在体内的定植时间，从而显著提升了UC-MSCs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UC-MSCs主要定植于滑膜，提示了干细胞治疗OA的新机制。
基于GM对UC-MSCs的综合作用，低细胞剂量治疗OA成为可能，并为生物材料辅助干细胞疗法在治疗OA的临床应用提供了理论依据。基于本研究基础，团队已着手开展干细胞治疗膝关节OA的 II 期临床试验。（中国临床试验注册中心，注册号：ChiCTR2000039017)
据悉，研究团队（PI:田洪涛）一直从事膝关节骨性关节炎阶梯治疗系列研究，包括干细胞治疗OA的关键技术（国家卫生健康委员会干细胞临床研究项目一项，武汉市3551人才项目一项）；膝关节炎保膝治疗策略及关键技术；关节置换日间手术疗效及卫生经济学的临床研究等。
文献链接：
参考文献：
[1]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214031X20300371?via%3Dihub
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