《NSR》：可注射幹細胞元件使受傷軟骨一個月接近完全結構恢復！

導讀：

軟骨損傷通常是毀滅性的。由於軟骨組織固有的低再生能力，大多數軟骨損傷都無法治癒，軟骨損傷導致的嚴重的關節炎令患者痛苦不堪。

學界對關節軟骨修復的探索從未停止，近年來應用幹細胞進行關節軟骨缺損治療的研究取得了積極的成果。然而實現幹細胞療法的治療潛力之前，仍有一些關鍵的障礙需要克服。

3D幹細胞培養系統的興起引發了發育生物學，疾病建模和再生醫學的一系列突破。

在正常的關節中，軟骨能夠提供一個光滑而有彈性的緩衝墊，吸收骨頭受到的震動和衝擊。

然而，成年的軟骨幾乎沒有再生潛力，在受傷、因疾病被破壞、或是隨年齡增長而磨損以後，久而久之就會導致骨頭之間直接相互摩擦，引起疼痛和炎症，最終導致關節的廣泛退變，喪失關節運動能力。

正常膝關節和軟骨損傷導致膝關節骨關節炎對比/圖源網路

目前醫生治療嚴重關節炎的常規方式為關節置換手術。

但關節置換的侵入性很強，而且人工關節壽命有限（約10-15年），因此很多患者只有在關節炎發作或是實在難以忍受長期疼痛之後才不得不選擇置換手術。

幹細胞，是一類具有自我更新、多向分化能力的原始細胞，可以分化產生包括軟骨細胞在內的不同型別的組織器官細胞。

幹細胞移植進人體內不但可以分泌營養因子減少軟骨損傷部位的炎症，還能分化成軟骨細胞以進行關節功能恢復。

因此幹細胞療法能從細胞根源促進關節軟骨的再生，在早期實現軟骨缺損的逆轉修復，避免疾病進展導致的嚴重關節炎。

幹細胞治療軟骨損傷基本原理/圖源網路

更為關鍵的是：研究表明，間充質幹細胞具有低免疫原性（low-immunogenicity），而且有免疫豁免（Immune privilege）的特性。

所謂免疫原性，是指刺激特定的免疫細胞，使免疫細胞活化、增殖、分化，最終產生免疫應答的抗原的能力。

而不表達白細胞抗原HLA-DR的間充質幹細胞在進入宿主後能避免同種異體反應性T細胞的識別。因此

異體使用間充質幹細胞，基本不會引起宿主的免疫排斥反應，是一種安全的移植方法

。

不過，在實現幹細胞療法的治療潛力之前，仍有一些關鍵的障礙需要克服。

目前，對體內幹細胞軟骨分化的有限控制通常導致軟骨再生難以達到預期結果，此外，由於氧化應激和炎症在損傷部位的微環境中普遍存在，幹細胞在注射後經常發生細胞凋亡。

在這方面，基於幹細胞的組織工程方法顯示出在早期階段快速恢復受損軟骨組織的巨大潛力。

但傳統組織工程方法也存在幾個障礙，例如，改善體外幹細胞軟骨生成的微孔支架通常不可注射，需要侵入性手術植入；基於水凝膠的幹細胞移植物雖然可注射，但基於水凝膠的幹細胞培養可能會影響細胞間相互作用和3D細胞縮合。

因此，傳統的組織工程方法沒有能夠利用幹細胞的全部治療潛力來治療軟骨損傷，我們迫切需要推進移植策略，以實現幹細胞的高存活率和體內有效的軟骨生成分化。

今年2月，張秋玉教授（西北工業大學）、李基文教授（羅格斯大學）和梁康教授（第四軍醫大學口腔醫學院）主持建立了一種可注射的混合無機（IHI）奈米框架模板幹細胞元件，並將其應用於一定範圍大小的軟骨缺陷的再生。相關研究論文發表在《

National Science Review

》。

他們開發了用於高階3D幹細胞培養和植入的3D 混合無機（IHI）奈米框架模板幹細胞組裝系統。

該支架透過

將「幹細胞」快速組裝成

具有可控細胞間相互作用的「

可注射3D組織結構

」來

改善幹細胞的存活和軟骨分化

，

能夠在短期和長期內實現軟骨缺陷的加速修復，快速組織重建和功能恢復。

使用IHI奈米支架模板化3D幹細胞組裝增強軟骨損傷的治療

具體而言，奈米支架中的二氧化錳（MnO2）奈米材料能夠透過

清除活性氧（ROS）來增強幹細胞存活

，同時透過

轉化生長因子的深度和均勻遞送增強幹細胞的軟骨分化

。

隨後，研究人員將承載著幹細胞的3D-IHI奈米支架注射進兔軟骨損傷模型中，並觀察其治療效果。

結果顯示實驗組中動物損傷部位的軟骨細胞群明顯高於其他四個對照組。

這種方式能夠

有效地調節軟骨損傷後的動態微環境，提高幹細胞的存活率

。

使用3D-IHI奈米支架增強BMSC的體內軟骨生成

為了研究長期治療效果，他們使用相同的實驗和對照條件在治療後1、2個月和3個月分別進行細胞移植測定。

結果：實驗組的國際軟骨修復學會（ICRS）宏觀和組織學評分顯著升高，國際骨關節炎研究學會（OARST）評分顯著降低。

這表明

關節軟骨缺陷修復質量顯著改善，同時減輕了骨關節炎的惡化

。

值得注意的是，

早在1個月時，研究人員就觀察到實驗組中受傷軟骨組織變得平滑，接近完全的結構恢復

。

展望：

在這項研究中，我們能看到基於幹細胞的3D-IHI奈米支架在軟骨再生領域具有出色的治療效果，它或能推進當前幹細胞療法和軟骨組織工程的研究進展，為關節炎患者提供再生希望。