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“老寒腿”有救了,再生医学科学家发现调节免疫细胞平衡,可控制软骨退化和再生

古古古 细胞王国 2024-01-10


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骨关节炎是一种退行性疾病,从美国食品和药品管理局的数据来看,它正在变得越来越流行。如果不加以治疗,骨关节炎会给患者带来剧烈的疼痛,导致功能丧失,严重者会残疾。
这种疾病目前难以治愈,治疗策略主要集中在控制疼痛和限制疾病进展上。当进展到无法再控制时,最后的办法就是关节置换手术。
那么,骨关节炎是怎么引起的呢?滑膜和滑膜液对关节起着保护和润滑的作用。在受损后,滑膜液中促炎反应持续存在,例如存在促炎细胞、促炎细胞因子,而且还表现为关节软骨退化。这些都会导致再生和修复过程受阻。
再生失败会引发纤维化,当纤维化过度时,可能导致器官功能障碍。由纤维化引起的最常见的疾病之一就是骨关节炎。而且,由于长期的促炎反应,初始创伤无法愈合,会进一步导致纤维化,以及过多结缔组织的积累。
这样就进入了一个恶性循环,要想破局,就需要将目光放到滑膜的环境上。
来自美国维克森林再生医学研究所的科学家及其合作者在《science Advances》发表了题为“The synovial environment steers cartilage deterioration and regeneration”的研究论文,证实了促再生免疫细胞的作用及其在退行性关节病治疗中对祖细胞的靶向影响。



论文首页截图

为了制定针对骨关节炎的有效疗法,需要解决的难题包括控制免疫细胞的平衡、极化和随后作用的信号级联这些对于向促再生期功能过渡至关重要。关键的免疫细胞包括T辅助细胞1(TH1)、TH2和TH17以及T调节细胞、巨噬细胞和肥大细胞。
他们在关节疼痛和肿胀门诊从骨关节炎患者收集了滑膜液,以此评估了滑膜液衍生细胞在创伤后促进再生的能力。具体而言,他们使用软骨细胞裂解物(CL)作为引诱剂,评估了细胞对损伤的迁移能力。
结果发现,单独使用软骨细胞裂解物,或添加滑膜液作为引诱剂时,细胞迁移的程度相似。然而,当添加滑膜液到培养基中,细胞迁移受到严重损害。

细胞附着及定量

来源:Johanna B., et al. 2023

接下来,他们评估了这些滑膜液衍生细胞进行软骨分化和产生软骨细胞外基质的能力。在软骨形成培养基球体上,苏木精和伊红(H&E)染色组织学图像显示出类似于关节软骨细胞的圆形细胞形态,并嵌入了致密的细胞外基质中。
综合了1型和2型胶原蛋白的免疫组织化学结果及靶基因分析,他们发现滑膜液衍生细胞促进组织修复的能力受损,是由于骨关节炎患者滑膜液中存在的因子诱导了转录失调

来自骨关节炎患者的滑膜液会抑制滑膜液衍生细胞参与组织再生

来源:Johanna B., et al. 2023

看来,骨关节炎患者的滑膜液仍然存在阻碍再生的因子。那么它是否也会对关节软骨有不利影响呢?相比之下,在滑膜液样品中观察到糖胺聚糖产量减少了80倍,要知道,糖胺聚糖是软骨的重要组成部分。

骨关节炎患者的滑膜液诱导关节聚集体纤维化

来源:Johanna B., et al. 2023

另外,他们使用mRNA转录物分析,描绘了一个基于2A型胶原蛋白(COLL2A)和聚集蛋白聚糖(ACAN)表达的软骨形成谱系,发现其在滑膜液培养后完全受损。结合一系列标志物的分析,他们进一步证实了从骨关节炎患者中分离出的滑膜液具有纤维化性质

关节软骨细胞标志物及软骨内骨形成标志物

来源:Johanna B., et al. 2023

到底是滑膜液中的什么导致了健康关节软骨细胞的诱导去分化和滑膜液衍生细胞的功能受损?果不其然,来自骨关节炎患者的滑膜液中促炎细胞因子白细胞介素17A(IL-17A)和IL-6的表达显着更高。除了异常的细胞因子外,中性粒细胞和巨噬细胞的迁移和增殖等也表现出不同。

骨关节炎患者的滑膜液含有促炎细胞因子,并以促炎方式刺激来自健康供体的炎性细胞

来源:Johanna B., et al. 2023

他们在骨关节炎患者滑膜液中观察到的详细特征,显示出明显的促炎反应。这种促炎环境是由促炎和促再生免疫细胞的激活失衡引起的,这进一步导致纤维化以及骨关节炎的发作和进展。
这些体外研究的发现能否推演到体内呢?为此,他们开发了一种基于免疫调节细胞的治疗方法,大致包含A、B、C、D四个步骤。从原理上看,促再生T细胞的组织特异性激活了脂肪来源间充质基质细胞中的软骨形成程序,并进一步引导这些局部募集的祖细胞和邻近软骨细胞,完成退化软骨和炎症的功能性组织修复。

开发免疫调节和促再生细胞治疗

来源:Johanna B., et al. 2023

这套疗法是否可以正常运转呢?他们进一步考察了软骨激活的免疫细胞在脂肪来源的祖细胞中对软骨形成分化有什么作用。结果显示,由naïve T细胞表达的CD4在软骨活化T细胞中减少了两倍,调节性T细胞标记物CD25的表达增加了两倍。
脂肪来源间充质基质细胞的mRNA分析,进一步支持了软骨活化T细胞诱导的软骨形成分化。在共培养24小时后,早期软骨形成定型标记物GDF5和主要软骨形成转录因子SOX9中都观察到了表达迅速升高。

基于免疫调节细胞再生治疗的表征

来源:Johanna B., et al. 2023

随后,他们在大鼠骨关节炎模型中评估了免疫调节细胞治疗的再生效果。注射方案包括四种:软骨活化T细胞(CAT)、脂肪来源的间充质基质细胞(aMSC)、aMSC和CAT的24小时共培养物(CoC)、未处理的载体对照(Ctrl)。
综合分析后,CoC组显示出最强的逆转滑膜纤维化的能力。这表明联合细胞治疗不仅起到直接再生退化软骨的作用,而且还通过将其促炎状态转向更有利于再生的环境来影响炎性膜。

化学诱导大鼠骨关节炎模型中的功能性关节和滑膜再生

来源:Johanna B., et al. 2023

在大鼠模型中,细胞再生治疗确实具有扭转滑膜软骨损伤和减少炎症的能力。为了评估临床疗效,他们对9名关节炎患者进行了同情用药(compassionate use)的研究,通过对治疗前后的KOOS评估、生活能力评分、MRI扫描以及活检结果来对疗效进行评估。
结果显示,受试者的生活质量得到改善,参与娱乐活动的能力得到改善,疼痛减轻。同时,他们也发现了激活的促炎和抗炎免疫细胞群之间的不平衡会引导骨关节炎的发生、进展和消退。

一项临床同情研究中创伤诱导骨关节炎自体治疗后关节软骨再生的改善

来源:Johanna B., et al. 2023

综上所述,这个研究的发现证明了平衡的免疫环境对组织稳态和功能修复十分关键。他们开发的免疫调节细胞疗法,能够在人类和大鼠的骨关节炎恶化时恢复关节稳态。这些研究结果可以为患者特异性的免疫调节治疗提供灵感和方向。

参考资料


Johanna Bolander et al. The synovial environment steers cartilage deterioration and regeneration.Sci. Adv.9,eade4645(2023).DOI:10.1126/sciadv.ade4645

 

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作者:古古古

审校:南风 咏彤

声明:本文仅作为科普,拒不接受商业用途的转载申请,亦不构成任何建议。


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