骨性關節炎（Osteoarthritis， OA）是一種常見的慢性、退行性關節疾病。全球OA 患者數量高達3。55 億，目前尚無逆轉疾病進展的治療手段，給社會帶來了巨大的經濟負擔。幹細胞治療OA在基礎研究和臨床試驗上都取得了一定的效果，但仍然存在細胞治療劑量較大引起區域性腫脹、疼痛的副反應，活細胞注入體內命運轉歸不明導致安全性不可控等問題。近年來，各種生物材料被廣泛應用於遞送細胞或藥物，如具有生物可相容性和可降解性的明膠微凝膠（gelatin microcryogel， GM），與傳統的單層細胞培養技術相比，這種三維（3D）細胞培養系統中具有更廣泛的細胞-細胞和細胞-基質相互作用，使細胞更接近組織的生理環境，處於最佳的生長狀態，成為多種疾病新的治療策略。
成果發表於頂尖雜誌
2021年2月25日，華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院田洪濤教授團隊在期刊
Chemical Engineering Journal
（IF：10。652）上發表了題為Implanted 3D gelatin microcryogel enables low-dose cell therapy for osteoarthritis by preserving the viability and function of umbilical cord MSCs的研究論文（論文連結：https：//www。sciencedirect。com/science/article/pii/S1385894721007312）。該論文的研究構建了臍帶間充質幹細胞（UCMSCs）和明膠微凝膠的細胞材料複合物（UCMSC-GM），證明了GM提供的3D培養環境能夠提高細胞的活性、分泌功能以及對抗異常力學載荷的能力，使UCMSCs在體內更持久地保留，透過分泌生長因子促進軟骨修復和調節滑膜炎症，達到了10倍細胞懸液的治療效果，為OA低細胞劑量治療提供了新思路。
該團隊前期研究顯示，臍帶間充質幹細胞（Umbilical cord mesenchymal stem cells， UCMSCs）能夠減輕軟骨表層細胞損傷，並抑制巨噬細胞介導的滑膜炎症，且三次給藥的療效優於單次注射，相關研究成果於2020年7月發表在期刊Journal of Orthopedic Translation，論文連結：https：//www。sciencedirect。com/science/article/pii/S2214031X20300371？via%3Dihub。
本研究基於前期研究成果，進一步探討明膠微凝膠-幹細胞複合物降低細胞治療劑量的可行性。本研究首先利用微陣列晶片，高效、快速製備出明膠微凝膠材料，再逐步最佳化其力學強度、孔徑、降解速度等性質，並進一步探索了不同的細胞種植濃度和體外培養時間對UCMSCs在材料上的增殖效率影響，從而篩選出UCMSC-GM較為高效的構建條件。
進一步功能實驗發現：相比較於平面培養的UCMSCs，GM提供的3D細胞培養環境能夠促進幹細胞釋放表皮生長因子受體（Epidermal growth factor receptor， EGFR）訊號通路的配體蛋白EGF和TGF-α，從而促進軟骨細胞的生長，這可能是由於腫瘤壞死因子α轉換酶（一種調控EGFR配體蛋白成熟和釋的重要金屬蛋白酶）上調引起。而EGFR的抑制劑吉非替尼（Gefitinib）則能阻斷這一作用，進一步證明了UCMSCs-GM透過調控EGFR訊號通路發揮作用。
傳統觀念認為，移植的幹細胞在組織缺損處定植生長、分化是主要其發揮再生作用的主要機制。本研究應用小動物活體成像及細胞熒光定位示蹤技術發現，移植入小鼠關節腔的UCMSCs主要定植於滑膜、半月板及軟骨下骨，極少量分佈在軟骨組織，提示幹細胞修復軟骨損傷主要為間接作用，比如分泌細胞因子增強內源性修復及抑制炎症反應。此外，GM顯著增強了UCMSCs在關節腔內定植時間，提高了細胞的使用效率，極大地降低了細胞使用劑量。
關節疼痛是OA影響患者生活質量最主要的症狀，也是OA患者就醫最主要原因。研究表明滑膜炎症是OA疼痛產生的重要原因。因此，本研究進一步比較了UCMSCs和UCMSC-GMs對滑膜炎的治療效果。我們發現GM能夠促進UCMSCs抑制滑膜炎症及緩解疼痛的作用。
綜上所述，本研究找到了GM應用的最佳條件，驗證了GM對所搭載細胞活性和細胞因子分泌功能的促進作用。重要的是，GM增強了UCMSCs在體內的定植時間，顯著提升了UCMSC的修復軟骨和抑制滑膜炎症、關節疼痛的治療效率，並且發現移植的UCMSC主要存在於滑膜，提示了幹細胞治療OA的新機制。我們認為，基於GM對UCMSC的綜合作用，使低細胞劑量治療OA成為可能，為生物材料輔助幹細胞療法在治療OA的臨床應用提供了理論依據。
田洪濤教授團隊一直從事膝關節骨性關節炎階梯治療系列研究（PI：田洪濤），包括OA幹細胞治療的關鍵技術（國家衛生健康委員會幹細胞臨床研究專案一項，武漢市3551人才專案一項）；膝關節炎保膝治療策略及關鍵技術；關節置換日間手術療效及衛生經濟學分析的臨床研究等。基於本研究基礎，團隊目前已開展臍帶間充質幹細胞治療膝關節骨性關節炎的臨床研究。（中國臨床試驗註冊中心，註冊號： ChiCTR2000039017，http：//www。chictr。org。cn/showproj。aspx？proj=62498，PI：田洪濤）
