浙江
骨关节炎的炎症微环境含有大量活性氧和炎性细胞因子，传统软骨细胞移植后细胞难以长期存活。自体软骨细胞移植的临床数据显示，15年失败率达到58.5%。近日，上海交通大学何前军团队和深圳先进技术研究院唐为团队在《Cell Stem Cell》发表了题为“Preservation of chondrocyte microspheroids by local sustained hydrogen supply improves osteoarthritis cartilage repair”的研究论文。他们发现持续的氢气供应能够保护骨髓间充质干细胞来源的软骨细胞微球体在骨关节炎微环境中的活性和表型，并开发了一种可缓释氢气超过两个月的纳米复合水凝胶移植体，在大鼠和绵羊模型上实现了软骨再生和骨关节炎逆转。
研究团队首先比较了普通培养条件和含60%氢气的培养条件下，大鼠骨髓间充质干细胞成软骨分化及微球体形成过程的差异。他们发现氢气培养的微球体存活率更高，活性氧水平更低，凋亡细胞数量减少。透明软骨标志物Col2在氢气组的表达明显上升，纤维化标志物Col1和肥大化标志物Col10则被显著抑制。转录组分析显示，氢气上调了FOXO3和Bcl2等抗凋亡通路相关基因，同时抑制了p53介导的细胞衰老路径。更关键的是，把已经分化好的微球体放到骨关节炎患者关节滑液里培养7天，那些持续处在氢气环境中的微球体活性良好且Col2高表达，一旦脱离氢气供给，微球体很快退化，活性和表型都保不住。这说明局部环境中氢气的持续存在对移植成功非常关键。
为了实现关节腔内长时间的氢气供给，研究团队用惰性气体保护的球磨法把二硅化钛粉末处理成了纳米片。原子力显微镜观察到这些纳米片厚度约11纳米、宽度约200纳米。在pH 7.4的磷酸盐缓冲液中，这些纳米片能够持续水解释放氢气超过两个月，而未经处理的微米级二硅化钛粉末在相同条件下几乎不产氢。他们把纳米片和人间充质干细胞来源的软骨细胞微球体一起封装到光交联的明胶水凝胶里，做成可注射的TSN/CMS-Gel移植体。用骨关节炎患者滑液培养7天后，包在凝胶里的微球体存活率达到80%以上，Col2和Aggrecan的表达明显高于对照组，MMP13和Col1的表达则被压得很低，并且凝胶中缓释的氢气没有表现出明显的细胞毒性。
大鼠股骨髁临界尺寸软骨缺损模型上，移植后第7天检测发现TSN/CMS-Gel组的缺损区活性氧水平只有CMS-Gel组的31%。第28天，Micro-CT和组织学染色显示TSN/CMS-Gel组缺损处形成了连续的透明软骨样组织，Col2阳性面积大，MMP13阳性面积小。传统基质辅助软骨细胞移植组和空白组的缺损区则主要是纤维状修复组织。步态分析结果同样支持组织学发现，TSN/CMS-Gel处理组的大鼠患肢支撑时间更长、足印面积更大、步态更协调。这些结果说明持续的氢气供给既抑制了局部的炎症反应，又保护了移植的软骨细胞。
绵羊骨关节炎临界尺寸缺损模型上，研究人员先在股骨髁制造四个全层缺损，自然饲养两个月诱导骨关节炎发生，然后清创并移植TSN/CMS-Gel。移植后30天，微球体存活率达到了75.4%，传统CMS-Gel组只有14.8%。移植后6个月，TSN/CMS-Gel组的缺损区基本被新生透明软骨填充，番红O-快绿染色显示糖胺聚糖含量和软骨厚度都接近天然软骨。关节滑液中的促炎因子IL-1β、TNF-α和IL-6显著下降，抗炎因子IL-10上升，滑液体积恢复正常。这些结果表明骨关节炎的进展在6个月内被逆转了。生物安全性评估显示，二硅化钛的水解产物可在120天内经淋巴系统逐步代谢，对肝肾功能和主要脏器没有明显毒性。
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