缺氧预处理脂肪干细胞联合可注射小肠黏膜下层支架增强骨关节炎软骨修复

《Bioengineering & Translational Medicine》：Hypoxia-preconditioned adipose-derived stem cells with injectable small intestinal submucosa for enhanced cartilage repair in osteoarthritis

本研究创新性地将缺氧预处理脂肪干细胞（ADSCs）与可注射小肠黏膜下层（SIS）支架结合，开发出SIS+ADSC复合材料用于骨关节炎（OA）治疗。通过2%氧浓度预处理显著提升ADSCs的干细胞特性基因（NANOG、SOX-2、Oct-4）表达及生长因子（VEGF、bFGF、EGF）分泌，在大鼠OA模型中证实该材料可通过促进合成代谢（上调ACAN）、抑制分解代谢（下调MMP13/ADAMTS5）和减轻炎症（下调IL-1β）实现软骨修复，为再生医学提供新策略。

　　

研究背景

骨关节炎（OA）作为全球高发的退行性关节疾病，以软骨细胞损伤和细胞外基质降解为特征。现有治疗手段如非甾体抗炎药（NSAIDs）和关节腔注射（如皮质类固醇、透明质酸）仅能缓解症状，无法阻止软骨破坏。脂肪干细胞（ADSCs）因其多向分化潜能和旁分泌功能成为OA治疗新希望，但关节腔炎症环境导致ADSCs存活率低，且缺乏载体支持造成细胞流失，限制其修复效果。

材料与方法

研究团队通过胶原酶消化法从大鼠腹股沟脂肪组织分离ADSCs，流式细胞术鉴定其高表达CD29、CD44、CD90（>95%），低表达CD34、CD45（<5%），并经成骨（茜素红染色）、成脂（油红O染色）和成软骨（阿利辛蓝染色）诱导验证多向分化能力。将ADSCs与可注射SIS支架（10 wt%）复合，设立常氧组（SIS+ADSC (N)，21% O₂）和缺氧预处理组（SIS+ADSC (H)，2% O₂）。通过活死染色、扫描电镜（SEM）和CM-Dil标记确认细胞在支架上的高存活率与均匀分布。

缺氧预处理增强ADSCs功能

实时荧光定量PCR（RT-PCR）显示，缺氧预处理显著上调干细胞特性基因（NANOG、SOX-2、Oct-4）、缺氧诱导因子（HIF-1α）及生长因子基因（VEGF、bFGF、EGF）表达。酶联免疫吸附试验（ELISA）进一步证实SIS+ADSC (H)组条件培养基中VEGF、bFGF、EGF蛋白分泌量显著高于常氧组。

体内外验证修复效果

在MIA诱导的大鼠OA模型中，每周关节腔注射SIS+ADSC复合材料4周。X射线和显微CT（Micro-CT）显示，SIS+ADSC (H)组能显著减少骨赘体积，改善骨小梁参数（BV/TV、Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp）。组织病理学染色（HE、番红O）和OARSI评分表明，该组有效增加软骨细胞数量和糖胺聚糖含量，降低软骨退化评分。免疫组化和Western blot结果显示，SIS+ADSC (H)可显著上调软骨基质成分Col2a和ACAN，下调分解代谢标志物（MMP13、ADAMTS5）及炎症因子IL-1β。

体外实验中，IL-1β诱导的软骨细胞经SIS+ADSC (H)条件培养基处理后，免疫荧光和Western blot显示ACAN表达回升，MMP13、ADAMTS5和IL-1β水平下降，证实其通过旁分泌作用调控软骨细胞代谢平衡。

机制探讨与创新点

研究揭示缺氧预处理通过激活HIF-1α通路增强ADSCs旁分泌功能，进而促进软骨修复。SIS支架的三维结构为细胞提供力学支撑，并缓释内源性生长因子。该研究的核心创新在于：①开发微创可注射型SIS+ADSC复合材料；②证实缺氧预处理对ADSCs修复能力的增效作用；③阐明其通过调节合成/分解代谢平衡及抗炎机制发挥治疗作用。

应用前景与局限

该复合材料为OA治疗提供新型非手术策略，但长期疗效、安全性及缺氧预处理分子机制需进一步研究。未来可探索ADSCs与软骨微环境相互作用，优化材料设计与临床应用方案。