2022年1月，南京大学蒋青教授研究团队和清华大学杜亚楠教授研究团队，在《Bioactive Materials》发表使用体内膝关节前交叉韧带（ACL）横断骨关节炎模型和体外共培养模型来研究载有MSC的微生态系统对慢性骨关节炎的治疗效果。
研究表明，与单层培养的间充质干细胞相比，在3D微孔中生长的间充质干细胞具有旁分泌功能，可能更有效地减少炎症和增加骨关节炎中的软骨修复。
骨关节炎 (OA) 是全世界残疾的主要原因，其定义为软骨退化、异常骨生长或骨赘、滑膜炎和软骨下骨变化的病理特征。然而，对于骨关节炎的发病机制并不明确，需要持续的疾病管理，给患者本人以及家属带来了沉重的医疗负担 。
目前，骨关节炎的主要临床治疗方法可大致分为非药物、药物和手术方法。但是，这些方法都无法实现组织修复，并且每种方法都有其自身的局限性。因此，对于开发新的骨关节炎治疗方法以提供组织保存或修复以及更长期的临床解决方案势在必行。
间充质干细胞（MSCs）已在临床前和临床研究中作为骨关节炎的再生疗法进行了验证。这些细胞已被证明具有自我更新、定向分化和免疫调节的潜力。然而，仍然有许多未优化的参数，如细胞数量、细胞滞留、细胞存活和与宿主组织的整合，导致了关节内注射间充质干细胞治疗OA并不总是产生预期的效果。这些问题源于目前无法以空间和时间控制的方式有效且可重复地调节其组织特异性分化。所以，科研人员将最新的研究方向聚焦在作为细胞载体的生物材料基质上。
针对相关问题，南京大学蒋青教授团队和清华大学杜亚楠教授团队，已开发出可用作细胞递送载体的 3D 明胶微载体。将间充质干细胞接种在具有互连孔隙率的明胶微载体中并在定制的旋转瓶中培养以形成载有 MSC 的微孔。在体外培养2天后，在大鼠 ACL 膝关节 OA 横断模型中注射载有 MSC 的微缝作为治疗对照。
整体研究设计示意图
在培养的第 1、3、7 和 14 天，MSCs 存活染色的荧光图像
干性相关标志物 (SOX2、OCT4、NANOG) 和衰老相关标志物 (P21、P16、P53) 在 14 天培养 (n = 3) 中在 MSC 负载微生态中的相对基因表达。
在这项研究中，在 transwells 中建立了软骨细胞与 MSC 的共培养物，无论是在3D培养中生长还是作为单层生长。基因和蛋白质表达结果表明，3D 培养的间充质干细胞增加了间充质干细胞和软骨细胞中软骨形成标志物的表达，表明与 2D 环境相比，在 3D 环境中生长的间充质干细胞对软骨形成信号更敏感，并更好地维持共生细胞的表型。
治疗后 6 周各组基于 μ-CT 分析的 OA 等级变化。治疗后 6 周所有组的 (C) X 射线、(D) μ-CT 和 (E) MRI 分析的代表性图像。
膝关节 OA 大鼠 ACL 横断模型中载有 MSC 的微孔的组织学分析。
由 H&E 和 Safranin O 染色。
以3D规模化培养工艺制备的微组织作为干细胞递送平台，能够通过减少间充质干细胞治疗所需的细胞剂量和注射次数，从而达到与传统高剂量给药方式相近的疗效，并通过分泌组学与全转录组分析表明微组织注入药剂更有利于促进间充质干细胞与软骨细胞之间的相互交流，通过自分化、抑炎性微环境调控和旁分泌效应促成软骨再生。
总而言之，来自南京大学、清华大学以及北京华龛生物科技有限公司合作进行的临床实验给我们带来了新的启迪。相信未来，随着3D FloTrix® 微载体的应用技术的逐步成熟和拓展，有望加速干细胞在骨关节炎中的实际应用进展。
来源：
[1] Wang B , Liu W , Li J J , et al. A low dose cell therapy system for treating osteoarthritis: In vivo study and in vitro mechanistic investigations[J]. Bioactive Materials, 2021(1).
