又一个心脏干细胞？斯坦福 Nature 子刊报道关节炎骨骼干细胞疗法

2020-08-25

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关节炎是中老年人群中非常常见的一种疾病，在人的一生中，患关节炎的概率高达 40%。

关节炎病因复杂，涉及遗传因素、急性损伤以及慢性炎症等多种因素，加之它们所造成的关节软骨损伤是一种不可逆的过程。所以医学界至今并没有适用于绝大多数关节炎患者的治疗方法。

图片来源：Nature Medicine

近年来，干细胞疗法的最新进展给诸如心脏病、神经退行性疾病等数种不可逆的病变带来了治疗的曙光。2020 年 8 月 17 日，来自斯坦福大学医学院的 Charles K. F. Chan 博士带领研究团队在医学顶级期刊 Nature Medicine 发表了 Articular cartilage regeneration by activated skeletal stem cells 的论文⁽¹⁾。该研究不仅报道了不久前被发现的骨骼干细胞（Skeletal Stem Cell, SSC）在软骨再生过程中的重要作用，更进一步将干细胞疗法的应用延伸到了关节软骨再生与关节炎之中。

研究内容：

由于在之前的研究中，作者发现 SSC 在骨骼受伤后会被激活并帮助骨骼的再生，所以作者首先假设关节软骨在关节炎中不可逆损伤与 SSC 的功能随着年龄增长而退化有关。

图片来源：Nature Medicine

他们通过对使用不同颜色标记不同干细胞的「彩虹小鼠」（Rainbow Reporter Mice）进一步改造，让这种小鼠关节软骨中的骨骼干细胞也得到了标记。通过对不同年龄段的小鼠关节软骨进行分析后，作者发现小鼠中 SSC 的数目随着年龄的增长而显著减少。与此同时，随着年龄的增长，这些 SSC 所在区域的蛋白聚糖 (Proteoglycan) 分泌也显著降低，而蛋白聚糖的重要功能之一就是减少关节的磨损。

作者随后对刚出生的小鼠和成年小鼠的软骨中分离出的细胞进行了 FACS 分析，实验结果再一次证明软骨中的骨骼干细胞和其下属的细胞亚群在小鼠成年后显著减少，而且他们扩增的能力也明显降低。这些数据表明，随着年龄的增长，能够帮助软骨再生的骨骼干细胞在数量和功能上都出现了明显的衰退。

图片来源：Nature Medicine

为了评估 SSC 衰退的影响，研究团队通过微骨折（Microfracture，MF）手术创伤了彩虹小鼠的软骨表面，以此激活软骨的再生。结果显示，这些软骨组织在受伤后都形成了新的纤维化软骨结构，而且在这个过程中骨骼干细胞中被细胞增殖标记物（EdU）所标记比例显著升高，意味着软骨的再生与软骨原本存在的骨骼干细胞可能有关。

图片来源：Nature Medicine

为了排除血液循环引入 SSC 的可能，作者使用了联体（Parabiont）小鼠模型。在 SSC 无 GFP 标记的小鼠和 SSC 被 GFP 标记的小鼠联体并进行血液循环互通后，无 GFP 标记小鼠软骨中并没出现带 GFP 标记的 SSC。这证明帮助软骨再生的 SSC 主要来源于软骨本身，而不是血液系统。

图片来源：Nature Medicine

在证明骨骼干细胞能够在 MF 模型中帮助软骨再生后，作者进一步结合了小鼠关节炎模型。关节炎小鼠在 MF 手术后出现了更加明显的骨骼干细胞增殖，这表明了 SSC 在关节炎导致的软骨损伤和再生中可能起到关键性作用。

图片来源：Nature Medicine

转录组分析进一步证明了微骨折可以激活成年小鼠的 SSC，并让它们获得类似于年轻小鼠的基因表达。为了验证这一点，研究团队将被 GFP 标记的未经历过骨折的 SSC 与经历过骨骼的 SSC 移植到了遭受过骨折的小鼠股骨中，并发现经历过骨折的 SSC 表现出了更强的增殖和修复作用。 这表明被激活的 SSC 可能有更强的治疗潜力。

由于此前实验中 SSC 移植形成的只是纤维化软骨，而不是真正的软骨。作者还想要更进一步，让 SSC 直接实现软骨的产生。由于此前 BMP2 和 sVEGFR1 被发现在软骨生成中起到的关键作用，所以研究团队在进行 SSC 移植时同时加入了 BMP2 和 sVEGFR1，并成功实现了完整软骨结构的生成。这些再生出来的软骨不仅生化成分与未受伤软骨相差无几，其力学特性和表面结构也与后者非常相似。

图片来源：Nature Medicine

最后，作者验证了他们观测到的现象是否在人体软骨中也存在。

同小鼠中的现象一样，成人软骨中的 SSC 数量远远低于胚胎期的软骨。将人的软骨移植到免疫缺陷的小鼠之中后，作者发现成人软骨不仅分泌更少的蛋白聚糖，它们的增殖能力也显著低于胚胎期的软骨。同时，作者对这些软骨进行了 MF 手术，并发现同动物实验结果一样， MF 手术也能有效的激活 SSC。结合 BMP2 和 sVEGFR1 后，这些被激活的 SSC 能够充分的实现软骨的再生。这些数据表明， 通过微骨折激活 SSC 再与 BMP2 和 sVEGFR1 联用是一种潜在的关节炎治疗方法。

研究意义：

该研究不仅证明了 SSC 在软骨再生中的重要作用，还是第一个通过骨骼中的 SSC 以及细胞命运控制实现有效且稳定软骨再生的报道。与此同时，该研究还提示了通过微骨折手术激活 SSC 并与 BMP2 以及 VEGF 抑制分子一起治疗关节炎的临床价值。

更加值得注意的是，FDA 早已批准了 BMP2(Infuse) 和 VEGF 抗体（Avastin) 在其他疾病中的临床使用，这将使得相关临床试验所需的时间被大大缩短。

延伸阅读：

骨骼干细胞的发现其实并不太久远。

图片来源：Cell

5 年前，该研究的共同通讯作者，来自斯坦福大学的 Michael T Longaker 团队首次通过「彩虹小鼠」在小鼠体内发现了骨骼干细胞的存在。相关研究与 2015 年以 Identification and Specification of the Mouse Skeletal Stem Cell 为题发表在 Cell 上⁽²⁾。

图片来源：Cell

2018 年，同一个研究团队再次在 Cell 上发表了题为 Identification of the Human Skeletal Stem Cell 的研究⁽³⁾，首次在人体内发现了骨骼干细胞。本次研究的另一位通讯作者 Charles K. F. Chan 正是这两项研究的第一作者。

在 Cell 的两篇文章发表后，SSC 在骨折和关节炎的临床应用被寄予了厚望，这项 Nature Medicine 的研究是 Charles K. F. Chan 成为助理教授后自己带领团队所发表的一篇具有重大临床价值的文章。

骨骼干细胞短短几年的发现史、巨大的临床价值、井喷的顶刊论文以及迅速爬升的热度让人不禁想起了皮耶罗・安韦萨（Piero Anversa）的心脏干细胞。在发表大量顶刊论文后，心脏干细胞被证明不存在的事情也在去年尘埃落定。

那么骨骼干细胞也会是一场闹剧吗？研究的可信性相信很快会在后续的研究和临床试验中得到检验，总的来讲我们对这项研究还是比较看好的，主要有两个原因。

第一，在心脏干细胞丑闻中，真正将心脏干细胞埋葬，证明其不存在的正是 Charles K. F. Chan 研究中所用的体内细胞标记技术，所以 Charles K. F. Chan 所用技术的可信度远高于当初发现心脏干细胞所用到的技术。

第二，在经历心脏干细胞丑闻之后，学界对相关研究的审视也更加严格，这也是为什么本次 Nature Medicine 中利用联体小鼠排除其他干细胞影响的原因。

我们也衷心希望相关技术能迅速用于临床之中，让无数关节炎患者受益。至于这项技术会不会沦为下一个心脏干细胞事件呢？我们留待时间来检验——