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Yoojun不结盟运动,Yeri爱丽丝Rim,分析师Jennifer Lee Ji可能居, ”目前干细胞软骨再生的治疗策略”,干细胞国际, 卷。2018年, 文章的ID8490489, 20. 页面, 2018年。 https://doi.org/10.1155/2018/8490489
目前干细胞软骨再生的治疗策略
文摘
动关节的关节软骨破坏的过程是渐进的,不可逆转的。这种破坏是极其困难的管理和使研究人员,临床医师和病人。患者经常服用药物来控制他们的疼痛。手术通常是执行当疼痛变得无法控制或关节功能完全失败。有一个未满足的治疗软骨缺损临床需要再生策略没有手术由于缺少合适的再生策略。临床医生和科学家们试图解决这个使用干细胞,具有再生各种组织的潜能。干细胞治疗软骨可能是一个理想的目标,因为它有一个出了名的差再生潜力。在本文中,我们描述的过去,现在和未来战略再生软骨的病人。具体地说,本文比较了外科再生技术(微裂缝)和细胞疗法、细胞疗法和没有脚手架,并与非聚合和聚集细胞疗法。我们也回顾chondrogenic潜在的细胞根据他们的起源,包括自体软骨细胞、间充质干细胞,诱导多能干细胞。
1。介绍
关节软骨是一种透明衬里的关节面骨结束。它缓冲外部影响,减少骨骼之间的摩擦,使光滑和无痛的联合运动。在软骨和软骨细胞细胞类型是唯一的居民占关节软骨的1 - 5%。这些细胞产生胶原蛋白,蛋白聚糖,透明质酸,细胞外基质(ECM)成分,构成软骨的力学性能1,2]。
软骨损伤的特点是渐进破坏关节软骨,无血管的结缔组织的再生能力较差。关节软骨的损伤会导致疼痛,肿胀,有限的活动范围由于其内在疗愈能力有限。它可以由病理变化造成的创伤,老化、遗传因素和炎症。肥大软骨细胞和滑膜膜软骨退化,慢性关节炎和系统性炎症也会发生,导致不同程度的chondrocytosis,软骨细胞的生长(3]。
已经几次再生关节软骨。治疗取决于病人的状况和软骨损伤的程度。在完整的软骨变性,全关节置换是唯一的选择4]。微裂缝和自体软骨细胞移植(ACI)提出了作为部分软骨病变的手术选择。中间的软骨变性患者严重程度,组织工程方法成为一种手段比微裂缝或ACI更有效地恢复软骨。
机械、生物和化学支架可以减轻与细胞治疗相关的缺点,如集成到宿主组织不足,不准确的细胞,和健康的软骨变性。scaffold-based方法开发更好的软骨病变填充自体软骨细胞。软骨细胞在3 d环境中传播时,更少的发生去分化和更多的透明软骨形式(5]。hyaline-like软骨的发展提高了透明质酸含有自体软骨细胞支架植入到缺陷网站(6,7]。然而,尽管努力使用生物反应器模拟体内环境,外生机械,与相同的属性和生化刺激,组织健康的软骨没有生成(4]。此外,(即有限数量的主要细胞。,chondrocytes) reduces the effectiveness of this treatment. Consequently, stem cell-based methods have been developed to avoid the disadvantages associated with primary chondrocyte therapy.
骨的各种类型的干细胞,骨髓来源干细胞(bmsc)和脂肪干细胞(对asc)有很多优势临床应用由于其chondrogenic潜力(8- - - - - -14]。更容易分离和增殖bmsc对asc和比原发性软骨细胞。这些干细胞能够分化成骨头和软骨,从而再生软骨体外和体内14- - - - - -19]。然而,很难获得大量的bmsc对asc和通过离体培养,因为广泛扩张可以改变他们的表型(20.- - - - - -23]。此外,bmsc的产量和分化能力下降与年龄和致病条件(14,24,25]。由于这些原因,软骨再生新的细胞来源是必要的。
在这方面,诱导多能干细胞(万能),可无限增殖和大量生产,感兴趣的。人类(hiPSCs)的细胞则是多能,类似于胚胎干细胞(ESCs),但没有相关的伦理问题。hiPSCs可以生产没有将基因整合到基因组并能分化成软骨细胞体外(14,26]。此外,大量的hiPSC图书馆准备从捐赠者,纯合子的人类白细胞抗原(HLA),建立了。从理论上讲,一个相对较少的这些HLA-homozygous hiPSC线将覆盖大部分的人口。
在这里,我们总结的缺点和结果不同的软骨再生策略和描述各种尝试治疗软骨缺损。此外,本文讨论了干细胞工程修复软骨,关注hiPSCs。最后,未来使用hiPSCs软骨再生。
2。关节软骨
关节软骨是一种弹性结缔组织,覆盖在动关节骨骼的末端。它是由和软骨细胞组成。在开发期间,骨骼组织(包括软骨)来自中胚层胚芽层。间充质组织来源于中胚层分化为软骨细胞。软骨细胞产生ECM蛋白质,富含蛋白聚糖。积累的ECM蛋白质表面润滑,这意味着它可以传输负载没有摩擦27]。关节软骨与各种复杂的组成细胞和ECM网络。软骨细胞的特点,关节软骨中唯一的细胞类型,根据他们的不同位置。软骨细胞位于关节软骨表面产生lubricin,蛋白质特定润滑表面的表面区域(28]。软骨细胞在中间区域合成大量aggrecan [29日]。在更深的地区,大多数软骨细胞处于静息状态和合成蛋白聚糖。大多数合成蛋白质noncollagenous;因此,II型胶原周转率相对较低。这种蛋白的半衰期为117年,除非它被损坏(30.]。
有三个主要类型的软骨:弹性软骨,纤维软骨,透明软骨。在膝关节关节软骨是透明软骨组成。的平滑度和灵活性之间中间透明软骨的弹性软骨和纤维软骨。在透明软骨生成损伤后,scar-like组织(纤维软骨)形式。几乎是不可能透明软骨修复缺陷通过透明软骨再生。此外,无血管的关节软骨,alymphatic, aneural。血管的缺乏限制了其再生能力。封锁的血管密度ECM阻碍营养物质运送到受损的软骨。软骨细胞得到营养物质通过ECM扩散。低比例的软骨细胞(1 - 5%)也阻碍了恢复受损的软骨(1]。
OA老化有关,是最常见的关节炎和在全世界影响数以百万计的人。疼痛通常是导致关节(关节软骨的退化31日]。即使是最小的损伤会影响整个软骨组织在损伤的进展。这种软骨代谢失衡造成的损害(32]。分解代谢和合成代谢因素之间的不平衡导致软骨退化(32]。病理改变包括软骨退化、骨赘形成和炎症。软骨变性是由纯粹的压力所产生的机械力在关节表面。这种刺激静软骨细胞的增殖,增加其生产的ECM蛋白质和ECM-degrading酶(33]。disintegrin和血小板反应蛋白图案的金属蛋白酶、胶原酶、基质金属蛋白酶降解胶原蛋白II和软骨基质中蛋白聚糖(2,34]。这一连串事件降解透明软骨,最终被纤维母细胞所取代。因此,透明软骨被纤维软骨,导致僵硬和额外的疼痛。各种策略开发治疗受损的软骨和讨论综述(图1)。一个重大的挑战是防止软骨损伤和再生透明软骨。
3所示。目前修复软骨再生的方法
3.1。微裂缝
微创手术创造了小骨头骨折在底层。这些骨折导致受损的关节软骨愈合反应通过释放bmsc [35]。骨髓“血块”可以坚定地坚持粗糙表面的断裂的骨头36,37]。这可以促进关节软骨的愈合与纤维组织或hyaline-like软骨。许多研究报告的结果,微裂缝(36,38- - - - - -43]。在90年代末,英国宇航系统公司等人发现II型胶原在骨折部位46温和OA患者在手术后1年44]。然而,研究报告的好坏参半的结果在短期,中期,长期(45- - - - - -47]。病人的数量和质量的bmsc被认为影响了这种方法的有效性。此外,术后康复治疗被认为是手术本身一样重要。组织形成的微裂缝开始成熟后在手术后8周48]。米勒等人报道,病人持续被动运动(CPM)治疗了微裂缝后更好的恢复。他们得出的结论是,应该执行CPM治疗8周后这个过程(49]。基于这项研究,CPM 6 - 8小时每天建议病人在接受微创手术(50]。然而,随机细胞分化诱导微裂缝往往会导致纤维软骨的形成,这是提高成绩不如hyaline-like软骨(44,51]。没有透明软骨的机械刚度,18 - 24个月后再生组织可能恶化,骨刺可能开发由于渗透的软骨下骨在25 - 50%的病例4,52]。此外,微裂缝不太有效的恢复大病变(> 3厘米2)[53]。尽管有这些缺点,美国食品和药物管理局(FDA)和许多医生相信微裂缝是一个很好的选择为软骨复苏(54,55]。
3.2。ACI和Matrix-Induced ACI
ACI是最有前途的一个程序长期软骨再生(53,56- - - - - -60]。这种方法涉及到获取软骨从low-weight-bearing联合通过打孔切片的一部分。孤立的软骨保持酶消化分离软骨细胞。这些软骨细胞体外扩大,移植到软骨缺陷,并与骨膜瓣密封膜。不同于微裂缝,ACI软骨缺损的治疗是有效的(> 3厘米2)。ACI公司取得了良好的临床和功能结果在持续超过10年的长期研究61年- - - - - -63年]。此外,因为这个过程使用病人自己的细胞,避免潜在的免疫并发症(64年,65年]。Matrix-induced自体软骨细胞移植(》)是一种ACI的改进版本。与ACI》涉及的文化自体软骨细胞在I型或III型胶原膜植入前(66年,67年]。这样就避免了需要与水密缝合关闭缺陷(66年]。它还有助于保持关节软骨细胞的特点在关节内软骨细胞的长期培养和防止泄漏(68年,69年]。然而,ACI和》都包含两个侵入性程序,即收获软骨细胞并移植回病人。肥大的皮瓣(也是一个问题53]。猪等替代膜,膜胶原蛋白和透明质酸的混合物组成的支架,已使用;然而,他们可以增加免疫反应(6,70年,71年]。这些程序的有效性也限制了低收获软骨软骨细胞的数量。事实上,软骨细胞占不到5%的软骨组织(60]。因此,这些细胞必须扩大体外。然而,作为一个单层培养的软骨细胞去分化。软骨细胞失去chondrogenic特征在一个单层,开始表达成纤维细胞标记如胶原蛋白类型。因此,使用这样的自体软骨细胞可能是纤维软骨的组织再生(26,72年]。
4所示。方法来改善软骨形成
4.1。支架
软骨形成被认为需要一个三维(3 d)环境。在开发期间,软骨形成是一个复杂的过程受各种生长因子和机械因素。支架通常用于促进体外组织工程软骨形成(73年,74年]。关节软骨细胞和间充质干细胞(msc)是最常用的细胞在软骨组织工程75年- - - - - -77年]。的结构、机械和支架的生化特性可以提高细胞生存和分化。脚手架的类型(即。,natural or synthetic) is also important [78年- - - - - -81年]。天然可降解聚合物包括多糖、分布和蛋白质,而合成可生物降解聚合物包括poly-lactic酸,poly-glycolic酸,poly-lactic-co-glycolic酸(PLGA) [82年]。支架理想情况下应该吸收或可生物降解和支持软骨形成。在创建一个脚手架时,应努力确保它促进细胞迁移。此外,孔隙结构,弹性,表面能参数,分子移动,化学功能,pH值,应该考虑和降解的支架,以及任何炎症反应可能引起83年]。3 d支架比二维(2 d)支架软骨再生。的确,3 d结构支持细胞聚集,模拟体内环境,改善细胞通讯和ECM生产(84年,85年]。然而,支架也有缺点。软骨细胞去分化、细胞死亡和细胞已报告泄漏scaffold-based软骨形成。此外,一个不合适的细胞分布,可怜的分化,不足与宿主组织集成使用支架与细胞移植相关的常见问题(78年,86年,87年]。提出了例如,PLGA支架结构支持软骨形成(88年]。虽然这些支架的治疗取得了有前景的结果全厚度与bmsc体内软骨缺陷,他们的治疗效果是由于疏水性PLGA有限。正在努力改善细胞附件功能,和分化,以及支架本身(89年- - - - - -91年]。
4.2。Scaffold-Free 3 d文化:颗粒和Micromass文化
软骨形成低效率在一个二维单层比在3 d文化系统(92年]。传统单层培养软骨细胞的去分化软骨工程是一个重要问题。在这样一个系统中,软骨细胞失去原始的特征,获得成纤维细胞的形态,和分泌胶原蛋白I型,而非胶原蛋白II型或aggrecan [93年,94年]。然而,这些变化是相反的肉瘤,软骨细胞成为支流(95年]。支架的出现之前,scaffold-free三维培养系统通常是用于软骨形成。这些系统模仿前软骨凝结在发展中肢芽,让细胞相互作用在软骨发育[一样96年- - - - - -99年]。细胞密度显著影响chondrogenic分化(One hundred.]。球文化和micromass文化仍然是最广泛使用的方法用于软骨细胞治疗和研究。颗粒生长板软骨细胞的文化最初是用作体外软骨矿化模型(101年,102年]。后来的研究用这个系统来研究生长因子对软骨细胞表型的影响,ECM蛋白质的性质,和软骨细胞的生物能学(103年- - - - - -106年]。软骨形成和透明软骨工程的早期研究表明,颗粒文化支持使用msc在体外软骨形成或软骨细胞生长因子的存在。在颗粒细胞分化文化类似于本机关节软骨的分布、密度、和矩阵组成,没有细胞表型变化或支架的援助93年,97年]。Micromass文化是第一次做鸡肢芽msc和最近被用于软骨形成。一些研究声称,软骨形成更高效micromass文化比颗粒文化。胶原蛋白类型和X chondrogenic细胞的调节在较大的颗粒。细胞被困在中部地区往往未分化和坏死107年- - - - - -109年]。尽管micromass文化支持高效的软骨形成,其他研究表明,颗粒文化更适合临床使用,因为数量有限的软骨细胞生成通过micromass文化和去分化的倾向(110年]。更高的细胞的数量需要生成一个cartilage-like构建没有人造支架或矩阵(111年,112年]。球文化和micromass文化流行的方法使用各种类型的细胞体外软骨形成。
5。成人干细胞软骨形成
5.1。伴着
msc可以很容易地收集来自各种组织;然而,他们通常从人类骨髓分离(图2)[113年- - - - - -115年]。首次提出骨髓基质细胞分化为间充质细胞,包括脂肪细胞和成骨细胞,通过这一过程被称为mesengenesis在80年代末,这些细胞被名为“bmsc的结果。“这个过程使用各种在体外实验研究。此外,bmsc已经被用来治疗一些疾病116年- - - - - -121年]。在创伤后OA模型中,注入自体bmsc改善关节软骨的再生表现出关节变性和骨赘的形成。虽然自体软骨细胞终末分化,bmsc可以分化成各种细胞类型(例如,成纤维细胞和软骨细胞)内接头(122年]。注入的bmsc也可能引起免疫调节作用。然而,bmsc的multipotency是用于组织工程软骨再生。经过几次试验和单层文化,聚集的bmsc,暴露出组合培养基培养接受chondrogenic分化(25,97年,123年- - - - - -125年]。bmsc /自体软骨细胞的一个重要的优势是,他们更容易扩大体外。体外chondrogenic bmsc的分化已被广泛研究。治疗与纤维母细胞生长因子2 (FGF2)增强了这些细胞的增殖和chondrogenic潜力(126年,127年]。FGF2-treated bmsc演示增强扩张(增加3500倍与参与bmsc),蛋白聚糖的积累增加,胶原蛋白类型的差别,对这些基因的表达。然而,bmsc也有几个缺点。病人可以在骨髓收获体验痛苦,体积小的骨髓,收益率低数量的bmsc [128年]。~ 1500 - 3000 fibroblast-forming殖民地获得从1毫升的人类骨髓,它已经表明,骨髓活检大于2毫升明显受到外周血(129年]。体外扩张需要获得足够数量的bmsc临床使用,特别是在老年患者和那些将有几个bmsc130年]。类似于软骨细胞,大多数成人干细胞(例如,bmsc)展览减少潜在增殖和降低分化后4 - 6段(20.,131年]。Dexheimer等人报道,更快的bmsc与扩散形成较大的颗粒,减少凋亡细胞,和更高的表达蛋白聚糖和胶原蛋白II型(132年]。尽管bmsc的优势,培养bmsc的缓慢增殖率和少量的细胞从骨髓必须获得解决。
5.2。对asc
对asc隔离获得间质血管分数(SVF)的脂肪组织。这是细胞颗粒产生lipoaspirate时,抽脂手术的废品,消化与胶原酶等酶(133年]。连续使后,贴壁细胞对asc是收获。对asc和SVFs治疗的潜力。微创收获过程对asc和更高的产量和SVFs导致这些细胞被认为是bmsc的替代品。总共1×1075×108通常从300毫升lipoaspirate也和他们的生存能力是> 90%134年- - - - - -137年]。这个收益率高于骨髓吸入物、和对asc也据说容易文化、繁殖快,可以培养时间变得衰老(134年,135年,138年- - - - - -140年]。乔等人研究了关节内注射的治疗效果对asc软骨再生在早期阶段临床试验(141年]。而对asc改善软骨再生,大量研究报道,对asc可以分化成软骨(142年- - - - - -144年]。有人建议,对asc chondrogenic潜力大于软骨细胞。的确,对asc可以维持他们chondrogenic潜力超过15章节,长于软骨细胞(145年- - - - - -147年]。然而,另一项研究报道,对asc再生软骨不如bmsc有效(148年]。Diekman等人证实,bmsc表示COL2A1水平高于对asc和合成更多的ECM在海藻酸培养珠子和支架(149年]。冬天等人表明对asc chondroinductive环境不敏感,他们的区别不太完整的bmsc文化[2周后148年]。软骨形成的bmsc比对asc的3 d系统。然而,基因表达aggrecan在bmsc对asc在高于BMP6的存在,虽然表情chondrogenic标记bmsc的是高于对asc TGF的存在β。哈米德等人建议对asc通道4(之前应该有区别150年]。此外,在这个研究中,表达式chondrogenic标记高度调节1周,但减少周2和3。另一方面,基因表达的X型胶原在星期3,高度不受监管的肥大的说明。Chondrogenic感应只有1星期后突出的区别,即使对asc之前使用通道4。
5.3。使用成人干细胞软骨再生
手术诱导软骨损伤动物模型,关节内注射标记bmsc促进软骨组织再生与对照组相比。这个结果是可能的,尽管相对较低的检测标记bmsc的软骨再生的网站(151年]。此外,当注射bmsc在猪模型中,软骨再生效果也显示(152年]。
黑色等的研究评估的临床影响派生msc在安慰剂对照试验表明,本地的运动范围显著改善单一注射后关节内的脂肪msc (153年]。
mono-iodoacetate-induced鼠模型中,使用关节内的bmsc允许动物分布明显更大的重量通过肢体的影响。尽管这个功能增强,没有统计显著差异出现在治疗和对照组之间。此外,软骨和软骨下骨病理学观察和滑膜炎症与BMSC注射治疗组(154年,155年]。阶段I和II试验对asc使用治疗骨关节炎(OA) MRI显示软骨再生的证据141年]。组织学评价胶原蛋白II型显示透明软骨再生注射后1亿年msc为单个关节,其次是6个月的随访。
观察到积极的临床结果的基础上利用msc与关节镜技术,看到等人发表了一篇随机对照试验,包括使用外周血msc与关节镜微创/ microdrilling软骨的病变(156年]。因此,组织学分析和核磁共振评价表明,软骨修复的质量明显改善参与者收到了msc。另一项研究报告了随机临床试验评估msc关节镜部分医疗半月板切除术后的疗效[157年]。研究显示改善临床结果与对照组相比也显示证据半月板再生的体积。尽管临床研究显示不一致的结果,关节内注射的好处msc对asc或改善药物治疗被证明是通过各种研究。
6。万能的软骨形成
6.1。万能
hiPSCs转导小鼠成纤维细胞于2006年首次生成的四个实验因素(Klf4, Oct3/4、原癌基因和Sox2)。2007年,hiPSCs成功由引入KLF4, OCT3/4, SOX2,和原癌基因或SOX2 OCT3/4, NANOG, LIN28人类体细胞(158年,159年]。随着人类的ESCs hiPSCs有相似的特征。然而,尽管hiPSCs可以无限增殖和自我更新,他们没有相关的主要伦理问题复杂化的ESCs的使用。因此,hiPSCs最近强调作为再生医学(另一种细胞源14,160年]。
最初,hiPSCs经常产生皮肤真皮成纤维细胞。然而,需要开刀手术获得这样的细胞。其他目前用于体细胞重编程,如血细胞,尿液细胞和角化细胞更容易获得(161年- - - - - -166年]。脐带血细胞、牙髓干细胞,联合synoviocytes,成体干细胞(例如,对asc和msc)也被成功地重新编程(160年,167年,168年]。尽管早些时候协议使用慢病毒或逆转录病毒转导以促进实验因素的集成,hiPSCs应该产生通过nonintegrating临床使用的方法。仙台病毒、游离向量、小分子、蛋白质、和修改rna通常用来避免集成(169年- - - - - -171年]。hiPSCs现在广泛用于再生医学,药物筛选,甚至“disease-in-a-dish”建模。
胰腺是由小鼠囊胚注入老鼠则缺乏一个胰腺由于Pdx1基因的删除172年]。从理论上讲,可以生成人体器官通过注入hiPSCs猪囊胚;然而,这是复杂的技术问题(26,173年]。此外,iPSC-derived器官的血管形成的宿主动物(26]。这不是一个问题对软骨的一代,因为这个组织是无血管的26]。重组具有多能性的细胞则在移植到免疫缺陷小鼠,它们产生畸胎瘤包含组织的所有三个胚芽层(内胚层、中胚层和外胚层)。Cartilage-like组织中发现畸胎瘤,证明hiPSCs可以接受软骨形成。因此,hiPSCs是一种很有前途的chondrogenic组织工程的细胞来源。
6.2。软骨再生使用hiPSCs
与万能干细胞再生医学的最终目标不仅是产生细胞的兴趣也创建新的组织或器官(26,172年,173年]。畸胎瘤hiPSCs产生包含透明软骨。这表明hiPSCs可以分化成人类软骨和软骨细胞(26]。之前hiPSCs的出现,试图诱导软骨形成的人类的ESCs通过三个方法:coculture关节软骨细胞,诱导MSC-like细胞,和直接转换26,174年- - - - - -182年]。
协议用于诱导chondrogenic分化hiPSCs大多来自这些方法(表1)。使用最广泛的方法诱发MSC-like细胞hiPSCs(图3)。有几个协议获得这些祖细胞,可大致分为两种类型:(1)单层培养和(2)胚状体的身体(EB)的形成。后者是更常用,因为它涉及通过已定义过程中胚层诱导。在早期的研究中,梅德韦杰夫等人试图诱导软骨形成的hiPSCs来源于胎儿从人类胚胎神经干细胞183年]。软骨细胞产生这些hiPSCs展出软骨细胞的特征。从这些hiPSCs EBs生成,和媒体被chondrogenic分化培养基所取代。ECM的表达蛋白质,如胶原蛋白II型和早期chondrogenic标记Sox9随后被检测到。2012年,朱镕基等人也感应chondrogenic EBs的分化。小山等人提出了一个更明确的协议2012年hiPSCs体外软骨形成(184年]。在EBs通常用于分化成三胚层细胞系,他们提出了一个新的协议间叶细胞祖细胞谱系分化。EBs生成和生长在gelatin-coated板块为1周,之后mesenchymal-like细胞或细胞产物”从这些EBs发芽。结果细胞有相似的特点,msc、如CD44的表达,CD90、CD73和CD105。作者报道,1 - 2×104细胞/厘米2是理想的密度增殖。结果细胞分离、细胞团被移除过滤器,chondrogenic分化诱导。Chondrogenic颗粒产生hiPSC-derived间叶细胞祖细胞有软骨形态和包含空白。ESCs hiPSCs和人类都成功地分化向chondrogenic沿袭使用这个协议。我们组还证实成功chondrogenic分化绳血液hiPSCs通过这种方法(14,185年]。2012年,Diekman等人提出一种不同的方法对软骨形成186年]。他们孤立的细胞表达胶原蛋白II型与绿色荧光蛋白(GFP)标记和诱导软骨形成。小山的类似研究et al ., chondrogenic分化并不直接引起的。hiPSCs首次predifferentiated chondrogenic血统micromass文化,然后这些细胞被分离和聚合颗粒文化。丸GFP +细胞产生更大、更多的糖胺聚糖ECM蛋白质比GFP−细胞。作者得出的结论是,这个协议增强了chondrogenic工程组织的性质和可能有一种方法来消除未分化的细胞,这可能有助于移植hiPSCs的未来。然而,协议使用EBs是耗时和被认为产生异构的人口由于细胞数量的变化和EB的大小(175年]。一些研究人员试图区分hiPSCs直接通过micromass EBs或颗粒文化使用特定的媒介,一个覆盖矩阵,或支线层(187年- - - - - -189年]。然而,这些方法影响相关的信号通路。因此,一种快速、廉价、高效的协议是未来所需的应用程序。
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6.3。软骨再生使用hiPSCs OA的动物模型
chondrogenic细胞的治疗能力来源于hiPSCs最近在几个动物模型研究。2014年,柯等人通过EB文化和使用海藻酸诱导chondrogenic分化珠子(16]。在EBs细胞分离和转移到micromass chondrogenic分化媒介文化。生成的chondrogenic丸或海藻酸水凝胶植入骨软骨缺损上创建免疫缺陷鼠的膝沟。12周后,缺陷满心光滑和公司组织,而对照组有粗糙表面或没有纤维组织。组织学分析也证明了修复蛋白聚糖的叛逃的地区。然而,作者报道,矩阵的形成是由于外源的万能干细胞植入不足,尽管hiPSCs植入的持久性和免疫缺陷鼠的使用。
2015年,生成Nejadnik等人chondrogenic丸ASC-derived hiPSCs [131年]。他们诱导分化为间充质通过单层培养血统,因为他们觉得EB文化给了不一致的结果。确认的质量iPSC-derived间充质细胞,hiPSC-derived msc和hiPSC-derived chondrogenic细胞分化21天播种到聚乙二醇和硫酸软骨素methacrylate-based脚手架。颗粒骨软骨缺损被植入一个裸大鼠股骨的生成和评估通过串行成像为6周。磁共振成像显示,植入没有形成畸胎瘤,还发现含水量降低,增加ECM的形成,表明成功的移植。此外,体内细胞扩张和支架最终被降解。组织学证实移植hiPSC-derived msc和chondrogenic颗粒缺陷,所展示的阿尔新蓝和II型胶原染色。Chondrogenic球矩阵表达高水平的蛋白质;然而,hiPSC-derived msc也促进了再生。
软骨细胞来源于hiPSCs被植入非手术味精碘乙酸- (MIA)诱导软骨受损的大鼠模型。朱等人产生chondrogenic颗粒通过EB文化和诱导细胞产物(190年]。而不是用子弹射击结果细胞,他们在媒体chondrogenic分化培养他们。在这些条件下,发芽结果细胞被认为是软骨细胞。此后,作者注入500μL细胞悬液(1×106细胞/毫升)的联合使用米娅诱导损伤后1周。15周后,大鼠膝关节被microcomputed断层扫描成像,通过组织学分析。比hiPSCs hiPSC-derived软骨细胞有一个更好的再生能力。组织学分析显示,注射hiPSC-derived软骨细胞软骨表面局部和增加蛋白聚糖的水平。增生的软骨细胞也被检测到,这表明软骨被修复。作者得出结论,关节功能提高;然而,大鼠关节仍然显示运动障碍,没有完全修复,表明干细胞注射可以改善关节修复,但只在早期阶段的破坏。
2015年,山下先生等人植入hiPSC-derived chondrogenic细胞成更大的动物。软骨结节生成的单层hiPSCs [191年]。这些结节最终分开盘的底部,并转移到培养皿在悬浮培养和维护了42天。结节没有形成肿瘤,当皮下植入重度联合免疫缺陷(SCID)小鼠。软骨微粒维持28天SCID鼠植入骨软骨缺损。修复缺陷的确认在移植后4周,胶原蛋白II型的高表达。ECM的表达蛋白在结节保持更高的42天比维持28天。来确定人类细胞迁移到其他器官或淋巴结,作者研究了人类的表情β肌动蛋白。这不是在其他器官中发现,多能性标记并不表示在结节分化21天或更长时间。最后,结节被植入软骨缺陷mini-pigs重27.0 - -30.5公斤,与免疫抑制剂环孢霉素治疗。移植后1个月的结节是可行的。Chondrogenic结节表达人类波形蛋白和关节软骨与主机集成。作者的结论是,结节heavy-weight-bearing条件下甚至可以修复软骨缺损。
综上所述,这些结果表明潜在的hiPSC-derived软骨关节软骨再生颗粒。早期阶段动物试验正在进行,结果将有助于这个过程转化为未来的临床应用。
7所示。结论和未来的角度
软骨损伤关节破坏,引起疼痛,身体残疾,和发病率。然而,软骨的无血管的特性和较低的有丝分裂活动限制其内在的再生能力。虽然生物制剂可能缓慢软骨退化,促进软骨修复的最佳治疗尚未定义。
细胞治疗正在成为软骨再生的一种手段。分考虑之一是使用前细胞的稳定性。卢比奥和他的同事们询问当地的安全派生msc在2005年通过一项有争议的研究(192年]。bmsc免疫缺陷小鼠植入时,自发的干细胞突变和恶性肿瘤出现了。后被撤销证据后,研究表明,恶性细胞系特征与污染有关,但不是用msc (192年]。在类似的情况下,进一步研究长期培养的bmsc(恶性转变的证据)是基于同样的理由,(193年,194年]。重要的是,目前的临床试验表明,MSC治疗是安全的。安全已经证明通过最近的系统回顾和荟萃分析的共有1012名参与者接受血管内MSC治疗各种临床症状,包括缺血性中风、克罗恩病、心肌病、缺血性心脏病(155年,195年]。对于hiPSCs,畸胎瘤形成的风险是最大的问题,不容忽视。因此,(即所做的努力。,complete differentiation or purification) to avoid this risk are necessary.
自体软骨细胞和成年干细胞(即。,伴着和对asc) are generally used for cartilage regeneration; however, the low numbers of these cells limit their clinical applications. By contrast, hiPSCs can proliferate indefinitely and support chondrogenesis in vitro and in vivo. Using a defined quality control process and a chondrogenic differentiation protocol, hiPSCs can become the ideal cell source for cartilage engineering.
hiPSCs有几个优势。从理论上说,这些细胞可以从每个个体生成;然而,这并不是经济可行的。从病人在昂贵的准备hiPSCs良好生产规范(GMP)指南196年]。因此,的概念HLA-homozygous hiPSC银行出现了(197年]。据估计,100年HLA-homozygous hiPSC线从每个种族将覆盖大部分的人口198年]。软骨被认为是一个immunoprivileged组织由于其无血管的和alymphatic性质和密集的ECM周围软骨细胞(26]。使用hla hiPSCs可能减少免疫排斥在同种异体移植软骨工程(图4)。抗原,HLA-B, HLA-DR拒绝[密切相关199年,200年]。许多研究人员目前正在为这三个HLA收集细胞纯合类型;然而,进一步的研究是需要改善neocartilage同种异体移植。
目前许多软骨移植过程涉及手术。对膝关节造成进一步的损害可能加剧免疫反应和阻碍经济复苏。因此,开发一个可访问的和非侵入性治疗可能是理想的软骨复苏。各种治疗方法包括一个注射的细胞(如Cartistem)。关节内注射bmsc对asc和被调查作为一种手段来治疗OA (201年- - - - - -208年]。朱等人证明hiPSC-derived软骨细胞也可能是临床适用的非侵入性程序。然而,软骨细胞3 d展示更好的生存能力和功能的条件。此外,细胞的特性更好的球状体比2 d系统(209年]。具体来说,细胞球状体有更高的生存能力和容易极化210年]。此外,scaffold-free的使用避免了球状体的植入支架相关的生物相容性问题。这种方法可以提高组织再生在临床的设置。可以自发地相互融合,从而增加球状体的大小(209年]。研究人员目前丸1 - 5×105细胞生长因子的存在(98年,110年,211年- - - - - -214年]。巴布尔等人称为聚合“macropellets”和报道,这样大的球状体(1 - 2毫米)的特点是再分化,不同数量的ECM沉积在整个颗粒(215年]。使用microwell技术,他们生成测量193±20“研究”μm。这些小颗粒产生更高水平的ECM蛋白质,这被认为是与增加细胞与周围环境的联系。综上所述,我们认为,关节内注射最小化chondrogenic颗粒或球体是理想的再生受损软骨(图5)。
hiPSCs再生软骨的潜力还没有被研究在临床前或临床研究(216年]。然而,使用hiPSCs软骨的研究可以促进他们的应用程序在其他领域,包括组织工程、药物筛选、建模软骨或骨相关的各种疾病。有定义的协议(例如,统一EB一代,定义细胞产物的生产,和增强chondrogenic分化),它可能会产生球状体的hiPSCs欣然接受chondrogenic分化(图6)。此外,xeno-free组件的使用,GMP实践,和其他质量控制方法,例如清除致瘤的细胞,需要临床使用。这些过程可能允许生产动物部分流细胞从hiPSCs tumorigenecity较低。组织工程的高成本也可以降低使用homozygous-HLA hiPSCs需要最小的生物和化学治疗。总之,hiPSCs可能在软骨再生开辟一个新时代。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是由韩国医疗技术研发的资助项目,省卫生、福利和家庭事务,大韩民国(HI16C2177和HI16C2438)。
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