磁力靶向傳遞SPIO標(biāo)記的BMSC修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損的研究進展

陳加榮，張 余，黃華揚，夏 虹，尹慶水

綜述

磁力靶向傳遞SPIO標(biāo)記的BMSC修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損的研究進展

陳加榮，張 余，黃華揚，夏 虹，尹慶水

關(guān)節(jié)軟骨缺損修復(fù)一直是國內(nèi)外研究的熱點與難點。骨髓間充質(zhì)干細胞移植技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景，但干細胞靶向問題亟待解決。該文闡述干細胞靶向傳遞的新策略——磁力靶向傳遞技術(shù)，重點介紹該技術(shù)應(yīng)用于修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損的背景、優(yōu)勢及存在的技術(shù)難點，并對該技術(shù)的應(yīng)用前景進行展望。

骨髓間充質(zhì)干細胞；軟骨缺損；磁力；靶向傳遞

關(guān)節(jié)軟骨缺損臨床十分常見，但目前的治療方法，包括保守治療和關(guān)節(jié)清理術(shù)、自體或異體骨軟骨移植、人工關(guān)節(jié)置換術(shù)等均存在明顯缺陷[1-4]。關(guān) 于 骨 髓 間 充 質(zhì) 干 細 胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）多能性的發(fā)現(xiàn)為臨床醫(yī)學(xué)提供新的治療思路，也為關(guān)節(jié)軟骨再生修復(fù)帶來新的希望[5]，但干細胞移植過程中的靶向問題仍亟待解決。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，超順磁性氧化鐵顆粒（superparamagnetic iron oxide，SPIO）標(biāo)記的BMSCs可以在磁場作用下定向遷移，即在合適的磁力作用下BMSCs可遷移至特定的目標(biāo)區(qū)域?；谶@一發(fā)現(xiàn)，人們提出利用磁力靶向傳遞SPIO標(biāo)記的BMSCs修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損的設(shè)想。本文就近年來該領(lǐng)域的研究進展進行綜述。

1 BMSCs修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損的途徑

BMSCs修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損目前主要有兩種途徑：①細胞-支架復(fù)合體局部植入：將體外培養(yǎng)的BMSCs與組織工程支架（固體支架或凝膠支架）復(fù)合后植入關(guān)節(jié)軟骨缺損區(qū)；②關(guān)節(jié)腔注射：將體外培養(yǎng)的BMSCs重懸于培養(yǎng)基或血清后直接注射入關(guān)節(jié)腔。復(fù)合支架的方式雖然能將BMSCs移植到軟骨缺損部位，但無論是固體支架還是凝膠支架植入，均存在細胞分布不均勻、創(chuàng)傷大、長期使用生物安全性不確定、存在免疫排斥反應(yīng)風(fēng)險、成本高等問題[6-7]；經(jīng)關(guān)節(jié)腔注射療法避免了上述問題，是目前較好的微創(chuàng)治療途徑之一[8-10]。但由于BMSCs缺少特異性的歸巢與定植能力，易于被關(guān)節(jié)液稀釋，貼附在滑膜組織上不但起不到治療作用，反而可能引起滑膜增生，導(dǎo)致游離體、瘢痕組織等并發(fā)癥的發(fā)生[11-12]。因此，人們試圖通過將干細胞靶向傳遞到軟骨損傷區(qū)域的方法來解決移植干細胞的空間定位問題，突破細胞療法的瓶頸，達到減少并發(fā)癥、提高療效的目的。

2 利用磁力靶向傳遞SPIO標(biāo)記的BMSCs是干細胞靶向傳遞的新策略

以往報道的主動細胞靶向模式，如依賴損傷部位釋放炎性介質(zhì)的趨化作用、配體與受體相結(jié)合等方式都缺乏特異性，靶向效率非常有限[13]。磁標(biāo)記技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用為干細胞傳遞策略提供新的選擇。SPIO是美國FDA認證的MRI造影增強劑（核心成分是Fe3O4晶體），具有良好的生物安全性[14]，其與轉(zhuǎn)染劑結(jié)合形成復(fù)合體后，通過靜電作用與細胞表面的配體結(jié)合，經(jīng)內(nèi)吞作用進入胞漿中，被細胞代謝后進入正常血漿鐵池，與紅細胞血紅蛋白結(jié)合或用于其他代謝過程[15]。磁標(biāo)記技術(shù)正是利用SPIO在MRI上的特異性顯影，在體無創(chuàng)示蹤SPIO所標(biāo)記的分子、細胞或生物材料，最先用于肝細胞成像獲得成功[16]。作為靶向藥物載體，SPIO目前在腫瘤治療領(lǐng)域有較好應(yīng)用，將其與藥物配置于藥物穩(wěn)定系統(tǒng)中，外磁場作用可將載體定位于腫瘤，使其所含藥物定位釋放，并集中于腫瘤部位發(fā)揮作用，臨床療效良好[17]。Jing等[18]在前期利用SPIO標(biāo)記BMSCs對組織工程軟骨進行無創(chuàng)監(jiān)測研究，結(jié)果表明SPIO標(biāo)記的BMSCs除了具備能增強MRI顯影的超順磁性，同時還具備在磁場作用下定向遷移的鐵磁性。基于這一點，有人提出以下假設(shè)：在關(guān)節(jié)周圍放置適宜磁場，SPIO及其所標(biāo)記的干細胞在磁力作用下定向遷移并定植于軟骨缺損部位（圖1），可望實現(xiàn)既增加局部干細胞濃度、又不影響干細胞增殖分化能力的功能，以此提高再生修復(fù)效果，降低因靶向定位低效所致并發(fā)癥的風(fēng)險。

圖1 磁靶向移植SPIO標(biāo)記的骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損示意圖 1A～1C將SPIO標(biāo)記的BMSCs注射入關(guān)節(jié)腔 1D～1F在關(guān)節(jié)周圍放置適宜磁場，SPIO標(biāo)記的BMSCs在磁力作用下定向移動并定植于軟骨缺損部位

上述設(shè)想很快得到進一步的驗證。Kyrtatos等[19]將SPIO標(biāo)記的內(nèi)皮祖細胞注入動脈損傷模型小鼠的靜脈中，損傷處外置磁場（外置磁場組）或不外置磁場（對照組），結(jié)果顯示，外置磁場組損傷處標(biāo)記的內(nèi)皮祖細胞明顯多于對照組；Kobayashi等[20]通過體外實驗發(fā)現(xiàn)SPIO標(biāo)記的MSCs在外加0.6 T場強作用下可實現(xiàn)靶向傳遞；Jing等[18]、Chen等[21]探索SPIO標(biāo)記BMSCs的技術(shù)方法，并初步驗證體外磁力靶向移植BMSCs的可行性[22]。

3 利用磁力靶向傳遞SPIO標(biāo)記的BMSCs尚有諸多技術(shù)問題未解決

隨著SPIO合成與標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，磁力靶向傳遞干細胞技術(shù)的研究越來越深入，目前正逐漸從體外研究向體內(nèi)研究過渡。Dick等[23]將SPIO標(biāo)記的豬BMSCs經(jīng)靜脈注射入血，直接利用1.5 T MRI觀察，結(jié)果表明，BMSCs可在豬的心臟聚集；Nakabayashi等[24]將SPIO標(biāo)記的鼠BMSCs注入骨骼肌損傷模型，結(jié)果提示，外磁場作用可明顯提高BMSCs的局部增殖分化，促進受損骨骼肌的修復(fù)；Kamei等[25]制作豬膝髕骨模型，關(guān)節(jié)鏡直視下利用外磁場作用將標(biāo)記SPIO的BMSCs注入膝關(guān)節(jié)，可見BMSCs在缺損區(qū)域聚集，維持外磁場10 min，沖洗關(guān)節(jié)腔，細胞不會脫落，24周后施加外磁場組軟骨缺損修復(fù)較未加磁場組明顯改善。盡管上述動物實驗研究證實SPIO標(biāo)記的BMSCs細胞能在磁力作用下聚集，但關(guān)于標(biāo)記細胞與磁場強度的量效關(guān)系、標(biāo)記濃度與磁場強度的量效關(guān)系、介質(zhì)選擇、磁靶向移植對BMSCs生物學(xué)特性的影響等諸多技術(shù)問題仍懸而未決；不同大小軟骨缺損的修復(fù)所需BMSCs的數(shù)量及其修復(fù)效果仍不清楚；磁靶向構(gòu)建BMSCs板層結(jié)構(gòu)的作用時間與細胞黏附比例亦有待進一步研究。

4 精確實現(xiàn)磁力構(gòu)建的間充質(zhì)干細胞組織工程結(jié)構(gòu)可能更利于BMSCs成軟骨分化

盡管MSCs缺少垂直方向上的相互貼壁作用，且關(guān)節(jié)軟骨因其獨特基質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)而具有抗貼附特性[26]，但在磁力輔助固定一定時間后，細胞之間還是可以通過分泌細胞外基質(zhì)和黏附分子達到生物學(xué)貼附，實現(xiàn)三維生長[27]。研究表明，BMSCs的軟骨分化能力與移植細胞數(shù)量、密度有關(guān)。Wang等[28]的研究結(jié)果提示，適宜的低氧濃度對MSCs形成軟骨過程中的細胞代謝具有重要的調(diào)節(jié)作用，外源性氧濃度的控制則可影響骨組織工程中基質(zhì)分子的沉積；Maeda等[29]的研究結(jié)果提示，適當(dāng)增加MSCs細胞密度有利于促進干細胞向軟骨方向分化。而外加磁力的方法不僅有望使干細胞在體內(nèi)實現(xiàn)聚集，還有利于觀察移植至軟骨損傷部位干細胞的適宜數(shù)量和密度，形成組織工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同程度的缺氧環(huán)境，從而增強BMSCs的軟骨分化能力[30]。

5 展望

磁力靶向移植BMSCs修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損目前尚待解決的問題主要有：①磁力靶向移植BMSCs技術(shù)相關(guān)參數(shù)的確立；②體內(nèi)外磁力靶向移植BMSCs修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損的實驗研究。在未來的組織工程領(lǐng)域，磁力靶向移植技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景，但如何在體內(nèi)外精確實現(xiàn)磁標(biāo)記細胞靶向移植，并完成靶向移植SPIO標(biāo)記BMSCs的安全性評價，是必須解決的重要問題。一旦有所突破，將有望解決移植干細胞空間定位的問題，為組織工程技術(shù)修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損提供新途徑和新方法。

[1] Wang W,Li B,Yang JZ,et al.The restoration of fullthickness cartilage defects with BMSCs and TGF-beta 1 loaded PLGA/fibrin gel constructs[J].Biomaterials,2010,31 (34):8964-8973.

[2]Koulalis D,SchultzW,Heyden M,et al.Autologous osteochondral grafts in the treatment of cartilage defects of the knee joint[J].Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc,2004, 12(4):329-334.

[3]Wakitani S,Mitsuoka T,Nakamura N,et al.Autologous bone marrow stromalcelltransplantation forrepairoffullthickness articular cartilage defects in human patellae:two case reports[J].Cell Transplant,2004,13(5):595-600.

[4]Rudert M,Wilms U,Hoberg M,et al.Cell-based treatment of osteochondral defects in the rabbit knee with natural and synthetic matrices:cellular seeding determines the outcome [J].Arch Orthop Trauma Surg,2005,125(9):598-608.

[5]Igarashi T,Iwasaki N,Kawamura D,et al.Repair of articular cartilage defects with a novel injectable in situ forming material in a canine model[J].J Biomed Mater Res A,2012, 100(1):180-187.

[6]Lee SJ,Broda C,Atala A,et al.Engineered cartilage covered ear implants for auricular cartilage reconstruction [J]. Biomacromolecules,2011,12(2):306-313.

[7]Nishimori M,Deie M,Kanaya A,et al.Repair of chronic osteochondral defects in the rat:a bone marrow-stimulating procedure enhanced by cultured allogenic bone marrow mesenchymal stromal cells[J].J Bone Joint Surg Br,2006,88 (9):1236-1244.

[8]Wakitani S,Imoto K,Yamamoto T,et al.Human autologous cultureexpandedbonemarrow mesenchymalcelltransplantation for repair of cartilage defects in osteoarthritic knees[J].Osteoarthritis Cartilage,2002,10(3):199-206.

[9]LEE KB,Hui JH,SONG IC,et al.Injectable mesenchymal stem cell therapy for large cartilage defects:a porcine model [J].Stem Cells,2007,25(11):2964-2971.

[10]Wakitani S,Goto T,Pineda SJ,et al.Mesenchymal cell-based repair of large,full-thickness defects of articular cartilage[J]. J Bone Joint Surg Am,1994,76(4):579-592.

[11]Lee KB,Hui JH,Song IC,et al.Injectable mesenchymal stem cell therapy for large cartilage defects:a porcine model [J].Stem Cells,2007,25(11):2964-2971.

[12]Agung M,Ochi M,Yanada S,et al.Mobilization of bone marrow-derived mesenchymal stem cells into the injured tissues after intraarticular injection and their contribution to tissue regeneration[J].Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2006,14(12):1307-1314.

[13]Murphy JM,Fink DJ,Hunziker EB,et al.Stem cell therapy in a caprine model of osteoarthritis[J].Arthritis Rheum, 2003,48(12):3464-3474.

[14]Wang ZY,Liu G,Sun J,et al.Self-assembly of magnetite nanocrystals with amphiphilic polyethylenimine:structures and applications in magnetic resonance imaging [J].J Nanosci Nanotechnol,2009,9(1):378-385.

[15]Arbab AS,Bashaw LA,Miller BR,et al.Intracytoplasmic tagging of cells with ferumoxides and transfection agent for cellular magnetic resonance imaging after cell transplantation: methods and techniques[J].Transplantation,2003,76(7): 1123-1130.

[16]Riegler J,Wells JA,Kyrtatos PG,et al.Targeted magnetic delivery and tracking of cells using a magnetic resonance imaging system[J].Biomaterials,2010,31(20):5366-5371.

[17]Zhu A,Yuan L,Jin W,et al.Polysaccharide surface modified Fe3O4 nanoparticles for camptothecin loading and release[J]. Acta Biamater,2009,5(5):1489-1498.

[18]Jing XH,Yang L,Duan XJ,et al.In vivo MR imaging tracking of magnetic iron oxide nanoparticle labeled, engineered,autologous bone marrow mesenchymal stem cells following intra-articular injection[J].Joint Bone Spine,2008, 75(4):432-438.

[19]Kyrtatos PG,Lehtolainen P,Junemann-Ramirez M,et al. Magnetic tagging increases delivery of circulating progenitors in vascular injury[J].JACC Cardiovasc Interv,2009,2(8): 794-802.

[20]Kobayashi T,Ochi M,Yanada S,et al.Augmentation of degenerated human cartilagein vitro using magnetically labeled mesenchymal stem cells and an external magnetic device[J].Arthroscopy,2009,25(12):1435-1441.

[21]Chen J,Wang F,Zhang Y,et al.In vivo tracking of superparamagnetic iron oxide nanoparticle labeled chondrocytes in large animal model[J].Ann Biomed Eng,2012,40(12): 2568-2578.

[22]Feng Y,Jin X,Dai G,et al.In vitro targeted magnetic delivery and tracking of superparamagnetic iron oxide particles labeled stem cells for articular cartilage defect repair[J].J Huazhong Univ Sci Technolog Med Sci,2011,31(2):204-209.

[23]Dick AJ,Guttman MA,Raman VK,et al.Magnetic resonance fluoroscopy allows targeted delivery of mesenchymal stem cells to infarct borders in swine[J].Circulation,2003, 108(23):2899-2904.

[24]Nakabayashi A,Kamei A,Sunagawa T,et al.In vivo bioluminescence imaging of magnetically targeted bone marrowderived mesenchymal stem cells in skeletal muscle injury model[J].J Orthop Res,2013,31(5):754-759.

[25]Kamei G,Kobayashi T,Ohkawa S,et al.Articular cartilage repair with magnetic mesenchymal stem cells[J].Am J Sports Med,2013,41(6):1255-1264.

[26]Koga H,Shimaya M,Muneta T,et al.Local adherent technique for transplanting mesenchymal stem cells as a potential treatment of cartilage defect[J].Arthritis Res Ther,2008,10 (4):R84.

[27]Ando W,Tateishi K,Hart DA,et al.Cartilage repair using an in vitro generated scaffold-free tissue-engineered construct derived from porcine synovial mesenchymal stem cells[J]. Biomaterials,2007,28(36):5462-5470.

[28]Wang DW,Fermor B,Gimble JM,et al.Influence of oxygen on the proliferation and metabolism of adipose derived adult stem cells[J].J Cell Physiol,2005,204(1):184-191.

[29]Maeda S,Nishida J,Sato T,et al.Changes in microstructure and gene expression of articular chondrocytes cultured in a tube under mechanical stress[J].Osteoarthritis Cartilage, 2005,13(2):154-161.

[30]Schneider N,Mouithys-Mickalad A,Lejeune JP,et al. Oxygen consumption of equine articular chondrocytes: influence ofapplied oxygen tension and glucose concentration during culture[J].Cell Biol Int,2007,31(9): 878-886.

（本文編輯：白朝暉）

第五期數(shù)字骨科技術(shù)（CAD-RP）應(yīng)用學(xué)習(xí)班暨首屆廣總創(chuàng)傷骨科高峰論壇通知

為促進數(shù)字骨科技術(shù)——計算機輔助設(shè)計-快速成型（computer assisted design-rapid prototyping，CAD-RP）技術(shù)的發(fā)展與普及，提高骨科醫(yī)師的數(shù)字骨科理論知識和實際操作水平，提升創(chuàng)傷骨科年輕醫(yī)師處理復(fù)雜創(chuàng)傷的理論與實踐能力，中華醫(yī)學(xué)會數(shù)字醫(yī)學(xué)分會臨床數(shù)字骨科籌備組、廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院定于2014年7月25至26日舉辦第五期數(shù)字骨科技術(shù)（CAD-RP）應(yīng)用學(xué)習(xí)班暨首屆廣總創(chuàng)傷骨科高峰論壇。本次學(xué)習(xí)班由廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院章瑩教授主持，為國家級、全軍級和廣東省級繼續(xù)教育項目（8學(xué)分），歡迎各位骨科同仁參加。

學(xué)習(xí)班將由尹慶水、夏虹、王鋼、余斌、蔡賢華、張光明、張元智、金丹、唐三元、吳增暉、黃華揚、章瑩等國內(nèi)數(shù)字骨科及創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域權(quán)威專家教授理論課程，同時還安排術(shù)前計算機模擬演示、快速成型機工作流程及各類快速成型標(biāo)本展示等內(nèi)容，使每一位參加學(xué)習(xí)班的學(xué)員都有機會學(xué)習(xí)和掌握先進的數(shù)字骨科技術(shù)及創(chuàng)傷骨科新進展。

學(xué)習(xí)班報名：廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院一號樓四樓雜志編輯部

授課地點：廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院會議室

日程安排：7月25日 報到7月26日 理論授課及現(xiàn)場演示

費用：免注冊費，住宿可統(tǒng)一安排（需提前預(yù)訂），費用自理。

報名Email：gzzyy_gk@126.com（郵件主題請標(biāo)注“學(xué)習(xí)班報名”）

聯(lián)系人：麥小紅（020-36655321），李恒銳（020-36654551）

通信地址：510010廣州市流花路111號廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院

報名截止時間：2014年7月15日（限額50人，額滿即止）

Research progress of targeted magnetic delivering of bone marrow mesenchymal stem cells labelled by SPIO for repair of articular cartilage defects

CHEN Jiarong,ZHANG Yu,HUANG Huayang,XIA Hong,YIN Qingshui.Hospital of Orthopaedics, Guangzhou General Hospital of Guangzhou Military Command,Guangzhou,Guangdong 510010,China.

As a reseach focus all over the world,articular cartilage defect repair with bone marrow derived mesenchymal stem cells(BMSCs)has a big dilemma need to be solved firstly.That is how to target the stem cells into progenitor cells.Technical breakthrough of targeted delivering methods will be helpful for cell therapy, and provide a new approach for cartilage tissue engineering.In this paper,a new method of BMSCs delivering by magnetic force was discussed.The origin,advantages and difficulties of this technique were mainly introduced and the prospects were outlined at the same time.

Bone marrow mesenchymal stem cells;Cartilage defect;Magnetic force;Targeted delivering

R329.24，R684

A

1674-666X（2014）02-0118-05

2013-12-20；

2014-01-23）

10.3969/j.issn.1674-666X.2014.02.011

國家自然科學(xué)基金項目（30870639）

510010廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院

E-mail：06chjr1983@163.com