上海交通大学医学院附属第九人民医院曹谊林教授和周广东教授：微环境对BMSCs再生软骨类型的调控作用|BAM

近期，上海交通大学医学院附属第九人民医院曹谊林和周广东教授在科爱出版社创办的期刊Bioactive Materials上发表研究文章：微环境对BMSCs再生软骨类型的调控作用。本研究探讨了耳和关节软骨微环境对BMSCs分化命运和再生软骨类型的调控作用，结果表明体内原位软骨微环境能够调控BMSCs再生与其类型一致的软骨，由ACSs提供的微环境仿生支架，以及支架和细胞双重仿生微环境不足以抵抗原位软骨微环境对BMSCs再生软骨类型的调控作用，最终证实了体内原位的软骨微环境是调控干细胞分化命运和再生软骨类型的决定因素。

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研究内容简介

软骨组织由于缺乏血管和神经，损伤后自身难以修复，因此成为临床治疗的难题。近年来，组织工程技术成为软骨损伤修复的主要方法，其中种子细胞是其核心要素。BMSCs因其自身优势被认为是组织工程软骨再生的理想种子细胞。许多研究已经证实体外构建的软骨微环境能够调控BMSCs成软骨分化以及再生软骨样组织，而且体内能够修复关节软骨缺损。然而，我们知道软骨分为三种类型，即弹性软骨（耳软骨等）、透明软骨（关节软骨等）和纤维软骨（半月板等），三种类型软骨因结构不同而具有明显不同的功能。因此，只有调控BMSCs再生特定类型软骨，才能真正实现软骨组织结构和功能的完全再生。然而，微环境究竟能否调控BMSCs再生特定类型软骨，以及其最终再生软骨类型由谁来决定，这些科学问题仍不清楚。本工作将以耳软骨（弹性软骨）和关节软骨（透明软骨）微环境为例对这些问题进行系统研究。

一、软骨脱细胞膜片（ACSs）的制备及表征分析

采用作者实验室先前建立的构建方式，将获取的同种异体猪的耳和关节软骨依次通过冰冻切片、脱细胞、冷冻干燥的处理后，制备了耳ACSs（EACS）和关节ACSs（AACS）。两种类型ACSs在脱尽细胞的前提下，保留了软骨组织特有的拓扑结构，成分和力学特性（图1）。结果还显示BMSCs及软骨细胞在ACSs上的黏附效率较高，达到80%以上（图2）。通过活/死细胞染色证实了ACSs具有较好的细胞相容性（图3）。

图1 ACS的制备及结构特征

图2 ACS的细胞黏附性能和效率

图3 细胞接种第1、4和7后的活死细胞染色

二、实验分组

上述已经完成了支架材料的制备，接下来作者将实验分为三组来系统研究软骨微环境对BMSCs再生软骨类型的调控作用。

1） 第一组：微环境类型匹配组，将BMSCs分别接种在EACS和AACS上并定向植入体内耳或关节软骨微环境中，体内培养1年后评估原位耳和关节软骨微环境对BMSCs再生软骨类型的调控作用。通过细胞追踪以及特异性软骨类型鉴定分析证实：BMSCs在耳软骨微环境中再生出耳软骨，也就是弹性软骨；BMSCs在关节软骨微环境中再生出关节软骨，也就是透明软骨，即体内原位软骨微环境可有效调控BMSCs再生与其类型一致的软骨（图4）。

图4 原位耳和关节软骨微环境对BMSCs再生软骨类型的调控

2）第二组：微环境仿生支架类型不匹配组，即将BMSCs分别接种在EACS和AACS上并交叉植入体内关节或耳软骨微环境中，体内培养1年后评估特定类型的微环境仿生支架（ACSs）是否会影响植入部位原位软骨微环境对BMSCs再生软骨类型的调控作用。结果证实：植入到耳软骨部位的BMSCs形成了耳软骨，植入到关节软骨部位的BMSCs形成了关节软骨，这说明仿生的支架微环境不足以抵抗植入部位原位软骨微环境对BMSCs分化命运及再生软骨类型的调控（图5）。

图5 微环境仿生支架类型不匹配组的软骨微环境对BMSCs再生软骨类型的调控

3）第三组：支架和细胞双重仿生微环境类型不匹配组，将BMSCs及耳软骨细胞共同接种在EACS上，并植入体内关节软骨微环境；同样的，将BMSCs及关节软骨细胞共同接种在AACS上，植入体内耳软骨微环境（图6）。体内培养1年后评估由特定类型支架及特定类型软骨细胞共同构建的双重仿生微环境是否会影响原位软骨微环境对BMSCs再生软骨类型的调控作用，从而最终判断BMSCs最终分化命运和再生软骨类型的决定因素。研究结果证实：BMSCs最终仍然形成了与植入部位原位软骨微环境类型一致的软骨组织，即不匹配的支架和细胞双重仿生微环境不足以抵抗原位软骨微环境对BMSCs的调控作用。

值得注意的是，不仅是BMSCs再生软骨区域，上述两组的整个再生软骨区域均形成了均质、类型一致的软骨组织，这说明一同植入的不同类型的软骨细胞也被调控形成了与植入部位原位软骨微环境类型一致的软骨。因此，我们的研究结果证实原位软骨微环境决定了所植入BMSCs和软骨细胞的分化命运和最终再生软骨类型（图7）。

该研究表明原位软骨微环境是调控干细胞和软骨细胞再生特定类型软骨的决定因素，它可以调节干细胞的定向分化和软骨细胞的转分化，从而再生出与其类型一致的软骨。当前研究结果为使用具有软骨形成潜力的种子细胞（比如间充质干细胞和软骨细胞）再生特定类型的软骨提供了充分的理论依据。

图6 支架和细胞双重仿生微环境类型不匹配组的软骨微环境对BMSCs再生软骨类型的调控

图7支架和细胞双重仿生微环境类型不匹配组的整个再生区域的软骨类型

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论文第一/通讯作者简介

第一作者：侯梦洁

医学博士，毕业于上海交通大学医学院，主要从事组织工程软骨再生及其临床转化的研究。

通讯作者：曹谊林

主任医师，博士生导师，全国劳动模范，“长江学者奖励计划”特聘教授，两任国家“973”项目首席科学家，国家杰出青年基金会国家杰出青年。曾任上海交通大学医学院附属第九人民医院副院长（1999-2014），北京整形外科医院院长（2006-2014），上海整复外科研究所所长、组织工程国家工程研究中心主任、国际亚太地区组织工程与再生医学学会主席（2011-2016），中国生物医学工程学会副理事长（2008-2015），中华医学会整形外科分会主任委员（2005-2012），中国生物医学工程学会组织工程分会主任委员（2006-2012），第八届中国康复医学会修复重建外科专业委员会主任委员，中国非公立医疗机构协会整形与美容外科专委会主任委员，Tissue Engineering和Biomaterial杂志副主编，及PRS等10余本国外SCI期刊和国内核心期刊编委。

主要从事组织工程软骨再生及其临床转化的研究，科研成果获国家发明二等奖1项，上海市科技进步一等奖2项等。个人荣获国际整形外科学界至高荣誉奖Maliniac Lecture-Excellent Honor Esteem，及美国整形外科James Barrett Brown奖；发表论文460余篇，其中SCI文章150余篇（通讯作者93篇、第一作者8篇），主编专著4部，参编13部（其中国外参编5部），主译专著1部，参译2部。

通讯作者：周广东

上海交通大学医学院附属第九人民医院教授，研究员，博士生导师，上海市组织工程研究重点实验室主任，国家十三五重点研发项目首席科学家，多项国家863、973项目/课题负责人，教育部新世纪优秀人才，泰山学者特聘教授，上海市优秀学科带头人，上海市医学领军人才。

主攻软骨再生技术、功能重建及其临床应用转化。作为项目/课题第一负责人，主持完成国家重点研发项目(1 项，首席)、973计划(2项)、863计划(3项)、自然科学基金(8项)等30余项国家级省部级课题及人才培养计划，累计获得国家级省部级各类科研经费约1.2亿。累计已发表SCI论文120余篇，其中10分以上SCI论文20余篇，总IF>700分；参编专著9部(含国际1部)；申请国家技术发明专利60余项；获国家技术发明二等奖、山东省科技进步一等奖、中国生物材料学会科学技术一等奖等多项科技成果奖励。

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资助信息

该研究获得国家重点研究发展计划（2017YFC1103900）、国家自然科学基金（81671837，81871502），以及再生医学和干细胞研究上海合作创新计划（2019CXJQ01）等项目的支持。

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原文信息

Mengjie Hou，Baoxing Tian，baoshuai Bai，Zheng Ci，Yu Liu，Yixin Zhang，Guangdong Zhou*，Yilin Cao*.

Dominant Role of in situ Native Cartilage Niche for Determining the Cartilage Type Regenerated by BMSCs.

Bioactive Materials,13, (2022)149-160.

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Bioactive Materials是一本高质量英文期刊，目前已经被SCIE、PubMed Central、Scopus、Embase收录。同时本刊还入选了2019年中国科技期刊卓越行动计划--“高起点新刊”项目。

2022年Bioactive Materials 获得影响因子16.874 ，在Materials Science，Biomaterials领域排名第一。

位于《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区表》1区，TOP期刊。

CiteScore 2021: 14.3。