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当前,关节软骨损伤的临床治疗手段有限,长期疗效也不理想。组织工程为软骨组织修复/再生带来可能,间充质干细胞(Mesenchymal stem cells,MSCs)被广泛应用于体外软骨组织构建。发育过程中,细胞之间相互作用是组织结构形成的关键因素。在软骨组织工程研究中,对于MSCs与关节软骨组织中的软骨细胞(Articular chondrocytes,ACs)之间的相互作用,目前的认识还很不清楚。尽管很多研究认为ACs可能指导MSCs的成软骨分化,但MSCs是否也会影响ACs的行为,还不得而知。体外细胞与细胞共培养,可以有效考察细胞间相互作用。因此,本研究将MSCs与ACs进行共培养,来详细探讨MSCs对ACs表型的影响作用。
本研究主要包括两个方面的研究工作,其一,以新西兰大白兔为实验动物,分离获得了兔骨髓间充质干细胞(rabbit MSCs,rMSCs)和关节软骨细胞(rabbit ACs,rACs),体外传代培养考察rACs的生长特性;其二,利用Transwell培养系统考察MSCs对rACs表型的调控,主要展开了以下几个层次的探索:①细胞培养方式,MSCs和rACs分别为二维单层培养或经海藻酸钙水凝胶包埋后三维培养;②rACs预培养时间,预先培养1天(T1)或者3天(T3)后与MSCs共培养;③共培养时间;④不同来源的MSCs,包括rMSCs和人羊膜间充质干细胞hMSCs;⑤考察了使用MSCs条件培养基(Conditioned medium)与rACs共培养的作用。同时,对rACs的表征主要包括了三个方面:细胞形态、基质分泌和基因表达。
结果发现:rACs在体外传代培养过程中发生了显著的去分化现象,表现在细胞形态由小且多角形或铺路石状,逐步转变大且为成纤维细胞样的梭形形态,胞外基质(氨基聚糖,Glycosaminoglycans,GAG)分泌减少,软骨相关特性基因(包括COL2A1,Aggrecan和Sox9等)表达水平下调;与MSCs共培养,促进了二维单层rACs的形态向梭形转变,而抑制了三维中rACs细胞聚团现象,rACs胞外基质分泌显著下降,基因表达也发生了明显变化,包括软骨特性基因的表达下调;不同来源的MSCs都表现出对rACs表型抑制的作用,尽管hMSCs的作用效果相对较低;最后,MSCs条件培养基也同样能够对rACs产生同样的作用,表明其可能是通过MSCs的旁分泌效应来实现。
总而言之,rACs体外培养过程中会逐步去分化,而MSCs的存在能够加速rACs的去分化,可能是源于MSCs的旁分泌效应,但是,至于何种分子介导了这样的作用,还有待进一步的研究。通过本研究工作,我们证实了MSCs对ACs的细胞表型产生显著地调节作用,为基于MSCs进行软骨组织损伤的修复/再生的研究提供了重要的科学启示。