中国医科大学团队开发新型“无细胞”软骨，以修复软骨损伤

中国医科大学附属第一医院李旭研究团队近日发现，人脐带间充质干细胞的外泌体可增强脱细胞软骨细胞外基质（ACECM）支架的修复作用，并促进软骨再生。

　　

中国医科大学附属第一医院李旭研究团队近日发现，人脐带间充质干细胞的外泌体可以增强脱细胞软骨细胞外基质（ACECM）支架的修复作用，并促进软骨再生。这项研究成果发表在《Bioactive Materials》杂志上。

关节软骨一旦发生损伤，其自愈能力非常有限。若不及时治疗，很容易引起骨关节炎，严重影响人们的生活质量。据估计，全世界大约有2.5亿人患有骨关节炎。目前主要采用保守治疗和手术治疗。手术虽然能够使纤维软骨再生，但其机械性能比透明软骨差很多。

人们最近发现，基于间充质干细胞（MSC）的组织工程学策略是一种很有前途的关节软骨再生方法。人脐带来源的沃顿氏胶质间充质干细胞（hWJMSC）被认为是关节软骨的种子细胞，具有广阔的应用前景。不过，间充质干细胞对储存和运输的要求比较高，而且有潜在的致瘤和免疫排斥风险。

来源于间充质干细胞的外泌体（MSC-Exo）则被认为是理想的替代品，因为它具有与MSC相似的生物学功能，并且在MSC介导的组织修复和再生中发挥重要作用。外泌体不具有致瘤性或免疫原性，规避了MSC移植的风险，在储存和运输上也相对容易。

此外，研究团队之前还制备出脱细胞软骨细胞外基质（ACECM）支架，这种仿生结构可以为干细胞粘附、增殖和分化提供微环境。那么，将来源于hWJMSC的外泌体与ACECM支架结合使用，这种“无细胞”的组织工程能否促进软骨再生？带着这个问题，他们开展了深入分析（图1）。

图1. 研究示意图

体外实验

研究人员首先从脐带中分离出hWJMSC并进行培养。流式分析表明，hWJMSC表达了间充质干细胞特有的标志物。利用赛业生物的成骨、成脂和成软骨诱导分化培养基，他们发现hWJMSC具有多谱系分化能力。

之后，他们通过差速超速离心法从培养上清中提取出外泌体（hWJMSC-Exo）。体外实验表明，hWJMSC-Exo能够促进骨髓间充质干细胞（BMSC）的迁移，并显著促进BMSC和软骨细胞的增殖。与对照相比，hWJMSC-Exo还能显著促进巨噬细胞中CD206（M2型巨噬细胞标志物）表达，这意味着外泌体促进巨噬细胞向M2表型极化。

动物模型

研究人员接着在动物模型上评估了hWJMSC-Exo和ACECM支架的作用。他们在兔子股骨滑车上打了一个直径3.5 mm、深度1.5 mm的孔，制备兔软骨缺损模型。之后在缺损部位植入ACECM支架，并注射hWJMSC-Exo，作为实验组（Exo + S组）。其余兔子被分到不同的对照组，包括PBS组、PBS + S组（有支架）、Exo组（有外泌体）和假手术组（PBS + 假手术）。

在手术后3个月和6个月，他们发现Exo + S组的软骨修复效果要明显优于其他组（图2）。micro-MRI结果显示，在术后6个月，各组软骨缺损处均已被修复组织填充，但仅有Exo + S组显示出接近正常软骨的信号。micro-CT结果表明，术后6个月Exo + S组的软骨下骨表面光滑，与假手术组相似。这些结果表明，hWJMSC-Exo可增强ACECM支架的作用，促进软骨再生。组织形态学分析也说明了这一点。

图2. 软骨修复效果

机制分析

考虑到关节腔的微环境在软骨再生中起重要作用，研究人员接着探讨了hWJMSC-Exo是否能够调节微环境的炎症反应。他们将hWJMSC-Exo注射到大鼠软骨缺损模型的膝关节腔中。与对照组相比，外泌体组的促炎细胞因子（IL-1和TNF-α）的表达水平无显著差异，但抗炎细胞因子（IL-10）表达水平显著升高，表明炎症水平较低。

为了进一步探索外泌体调节炎症的机制，他们对巨噬细胞标志物进行染色。结果表明，外泌体组的M2型巨噬细胞和所有巨噬细胞的比例显著增加，而M1型巨噬细胞的比例降低，这证实了hWJMSC-Exo在体内促进巨噬细胞浸润，并促进巨噬细胞向M2表型极化。

最后，研究人员还对hWJMSC-Exo中的miRNA进行测序，发现它富含可促进软骨再生的miRNA，包括miR148a和miR29b。miR148a可通过抑制软骨细胞分化成肥大表型并促进蛋白聚糖和胶原蛋白的分泌来促进软骨再生；miR29b则在BMSC向软骨细胞的分化过程中起着重要的调节作用。

结语

这项研究证实，hWJMSC-Exo能够促进软骨再生。这种作用可能归因于外泌体可促进内源性BMSC和软骨细胞增殖，并抑制关节腔内的炎症反应，而外泌体miRNA可促进软骨细胞外基质合成。作者认为，考虑到ACECM支架已成功应用于临床，这种新型的“无细胞”组织工程软骨具有广阔的临床转化前景。

原文检索

Jiang S, Tian G, Yang Z, Gao X, Wang F, Li J, Tian Z, Huang B, Wei F, Sang X, Shao L, Zhou J, Wang Z, Liu S, Sui X, Guo Q, Guo W, Li X. Enhancement of acellular cartilage matrix scaffold by Wharton's jelly mesenchymal stem cell-derived exosomes to promote osteochondral regeneration. Bioact Mater. 2021 Feb 13;6(9):2711-2728. doi: 10.1016/j.bioactmat.2021.01.031.