PNAS：关键分子促进干细胞生成软骨

　　

生物通报道：软骨损伤很难修复，目前人们一般是通过手术，将取自另一处关节的组织填补到受损区域。这一过程会对健康软骨造成损害，而且患者的软骨会随着年龄增大而恶化。

宾夕法尼亚大学的一项新研究，通过新型水凝胶系统，利用患者自身的干细胞生成软骨，其效果比普通水凝胶更好，文章发表在美国国家科学院院刊PNAS杂志上。

“我们尝试开发新方法来置换受损的软骨组织，并希望能够通过表面置换，来改善年龄增长造成的软骨退化。这项研究就是在寻找，促使干细胞生成最佳软骨的正确环境，”宾夕法尼亚大学的副教授Jason Burdick说。

Burdick及其同事长期从事间充质干细胞研究，这是一种位于骨髓中的成体干细胞，能够转变成为骨、脂肪或软骨细胞。此前，研究团队曾将间充质干细胞填入水凝胶系统，促使其分化成为脂肪细胞或骨细胞。

在体外生成软骨的第一步是启动软骨生成，或者说让间充质干细胞分化为软骨细胞。然后再以此为基础，生成包含胶原和糖的海绵状基质。虽然成体软骨细胞在组织中的密度较低，但在软骨生成时期细胞之间的距离很近，这是体外生成软骨面临的一大挑战。

“软骨组织工程所用的标准水凝胶会使细胞分开，”Burdick说，“使细胞丧失相关信号和相互作用。由于在软骨细胞形成时，细胞通过钙粘素相互作用，我们利用这一点对水凝胶系统进行了改进。”

研究人员用一种多肽模拟钙粘素，将其结合在水凝胶系统上。“尽管我们还不了解钙粘素和软骨生成的直接关连，”宾夕法尼亚大学的副教授Robert Mauck说，“但我们知道，在组织形成早期增强钙粘素相互作用，能生成更多的软骨。如果阻断钙粘素，软骨形成量就很少。”

为了测试上述多肽的效果，研究人员将间充质干细胞填入多种凝胶进行实验，包括不含多肽的普通水凝胶、含多肽的水凝胶、含多肽和抗体的水凝胶（抗体会阻断钙粘素相互作用）。研究人员发现一周后，多肽凝胶中的细胞，表现出的软骨生成标志更多。

随后，研究人员将上述凝胶培养四周，这段时间足以形成软骨基质。四周后，他们用这些凝胶进行功能性测试（如机械负荷），发现多肽水凝胶的表现更接近天然软骨。II型胶原和硫酸软骨素是软骨基质的组成成分，研究人员对这些分子进行染色，发现多肽凝胶中这些分子也明显较多。

“这项研究向人们展示，水凝胶中的钙粘素信号能够促进软骨生成，”Burdick说。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Hydrogels that mimic developmentally relevant matrix and N-cadherin interactions enhance MSC chondrogenesis

Methacrylated hyaluronic acid (HA) hydrogels provide a backbone polymer with which mesenchymal stem cells (MSCs) can interact through several cell surface receptors that are expressed by MSCs, including CD44 and CD168. Previous studies showed that this 3D hydrogel environment supports the chondrogenesis of MSCs, and here we demonstrate through functional blockade that these specific cell–material interactions play a role in this process. Beyond matrix interactions, cadherin molecules, a family of transmembrane glycoproteins, play a critical role in tissue development during embryogenesis, and N-cadherin is a key factor in mediating cell–cell interactions during mesenchymal condensation and chondrogenesis. In this study, we functionalized HA hydrogels with N-cadherin mimetic peptides and evaluated their role in regulating chondrogenesis and cartilage matrix deposition by encapsulated MSCs. Our results show that conjugation of cadherin peptides onto HA hydrogels promotes both early chondrogenesis of MSCs and cartilage-specific matrix production with culture, compared with unmodified controls or those with inclusion of a scrambled peptide domain. This enhanced chondrogenesis was abolished via treatment with N-cadherin–specific antibodies, confirming the contribution of these N-cadherin peptides to chondrogenesis. Subcutaneous implantation of MSC-seeded constructs also showed superior neocartilage formation in implants functionalized with N-cadherin mimetic peptides compared with controls. This study demonstrates the inherent biologic activity of HA-based hydrogels, as well as the promise of biofunctionalizing HA hydrogels to emulate the complexity of the natural cell microenvironment during embryogenesis, particularly in stem cell-based cartilage regeneration.