磁力靶向传递SPIO标记的BMSC修复关节软骨缺损的研究进展

陈加荣，张 余，黄华扬，夏 虹，尹庆水

综述

磁力靶向传递SPIO标记的BMSC修复关节软骨缺损的研究进展

陈加荣，张 余，黄华扬，夏 虹，尹庆水

关节软骨缺损修复一直是国内外研究的热点与难点。骨髓间充质干细胞移植技术具有良好的应用前景，但干细胞靶向问题亟待解决。该文阐述干细胞靶向传递的新策略——磁力靶向传递技术，重点介绍该技术应用于修复关节软骨缺损的背景、优势及存在的技术难点，并对该技术的应用前景进行展望。

骨髓间充质干细胞；软骨缺损；磁力；靶向传递

关节软骨缺损临床十分常见，但目前的治疗方法，包括保守治疗和关节清理术、自体或异体骨软骨移植、人工关节置换术等均存在明显缺陷[1-4]。关 于 骨 髓 间 充 质 干 细 胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）多能性的发现为临床医学提供新的治疗思路，也为关节软骨再生修复带来新的希望[5]，但干细胞移植过程中的靶向问题仍亟待解决。有学者发现，超顺磁性氧化铁颗粒（superparamagnetic iron oxide，SPIO）标记的BMSCs可以在磁场作用下定向迁移，即在合适的磁力作用下BMSCs可迁移至特定的目标区域。基于这一发现，人们提出利用磁力靶向传递SPIO标记的BMSCs修复关节软骨缺损的设想。本文就近年来该领域的研究进展进行综述。

1 BMSCs修复关节软骨缺损的途径

BMSCs修复关节软骨缺损目前主要有两种途径：①细胞-支架复合体局部植入：将体外培养的BMSCs与组织工程支架（固体支架或凝胶支架）复合后植入关节软骨缺损区；②关节腔注射：将体外培养的BMSCs重悬于培养基或血清后直接注射入关节腔。复合支架的方式虽然能将BMSCs移植到软骨缺损部位，但无论是固体支架还是凝胶支架植入，均存在细胞分布不均匀、创伤大、长期使用生物安全性不确定、存在免疫排斥反应风险、成本高等问题[6-7]；经关节腔注射疗法避免了上述问题，是目前较好的微创治疗途径之一[8-10]。但由于BMSCs缺少特异性的归巢与定植能力，易于被关节液稀释，贴附在滑膜组织上不但起不到治疗作用，反而可能引起滑膜增生，导致游离体、瘢痕组织等并发症的发生[11-12]。因此，人们试图通过将干细胞靶向传递到软骨损伤区域的方法来解决移植干细胞的空间定位问题，突破细胞疗法的瓶颈，达到减少并发症、提高疗效的目的。

2 利用磁力靶向传递SPIO标记的BMSCs是干细胞靶向传递的新策略

以往报道的主动细胞靶向模式，如依赖损伤部位释放炎性介质的趋化作用、配体与受体相结合等方式都缺乏特异性，靶向效率非常有限[13]。磁标记技术在医学上的应用为干细胞传递策略提供新的选择。SPIO是美国FDA认证的MRI造影增强剂（核心成分是Fe3O4晶体），具有良好的生物安全性[14]，其与转染剂结合形成复合体后，通过静电作用与细胞表面的配体结合，经内吞作用进入胞浆中，被细胞代谢后进入正常血浆铁池，与红细胞血红蛋白结合或用于其他代谢过程[15]。磁标记技术正是利用SPIO在MRI上的特异性显影，在体无创示踪SPIO所标记的分子、细胞或生物材料，最先用于肝细胞成像获得成功[16]。作为靶向药物载体，SPIO目前在肿瘤治疗领域有较好应用，将其与药物配置于药物稳定系统中，外磁场作用可将载体定位于肿瘤，使其所含药物定位释放，并集中于肿瘤部位发挥作用，临床疗效良好[17]。Jing等[18]在前期利用SPIO标记BMSCs对组织工程软骨进行无创监测研究，结果表明SPIO标记的BMSCs除了具备能增强MRI显影的超顺磁性，同时还具备在磁场作用下定向迁移的铁磁性。基于这一点，有人提出以下假设：在关节周围放置适宜磁场，SPIO及其所标记的干细胞在磁力作用下定向迁移并定植于软骨缺损部位（图1），可望实现既增加局部干细胞浓度、又不影响干细胞增殖分化能力的功能，以此提高再生修复效果，降低因靶向定位低效所致并发症的风险。

图1 磁靶向移植SPIO标记的骨髓间充质干细胞（BMSCs）修复关节软骨缺损示意图 1A～1C将SPIO标记的BMSCs注射入关节腔 1D～1F在关节周围放置适宜磁场，SPIO标记的BMSCs在磁力作用下定向移动并定植于软骨缺损部位

上述设想很快得到进一步的验证。Kyrtatos等[19]将SPIO标记的内皮祖细胞注入动脉损伤模型小鼠的静脉中，损伤处外置磁场（外置磁场组）或不外置磁场（对照组），结果显示，外置磁场组损伤处标记的内皮祖细胞明显多于对照组；Kobayashi等[20]通过体外实验发现SPIO标记的MSCs在外加0.6 T场强作用下可实现靶向传递；Jing等[18]、Chen等[21]探索SPIO标记BMSCs的技术方法，并初步验证体外磁力靶向移植BMSCs的可行性[22]。

3 利用磁力靶向传递SPIO标记的BMSCs尚有诸多技术问题未解决

随着SPIO合成与标记技术的发展，磁力靶向传递干细胞技术的研究越来越深入，目前正逐渐从体外研究向体内研究过渡。Dick等[23]将SPIO标记的猪BMSCs经静脉注射入血，直接利用1.5 T MRI观察，结果表明，BMSCs可在猪的心脏聚集；Nakabayashi等[24]将SPIO标记的鼠BMSCs注入骨骼肌损伤模型，结果提示，外磁场作用可明显提高BMSCs的局部增殖分化，促进受损骨骼肌的修复；Kamei等[25]制作猪膝髌骨模型，关节镜直视下利用外磁场作用将标记SPIO的BMSCs注入膝关节，可见BMSCs在缺损区域聚集，维持外磁场10 min，冲洗关节腔，细胞不会脱落，24周后施加外磁场组软骨缺损修复较未加磁场组明显改善。尽管上述动物实验研究证实SPIO标记的BMSCs细胞能在磁力作用下聚集，但关于标记细胞与磁场强度的量效关系、标记浓度与磁场强度的量效关系、介质选择、磁靶向移植对BMSCs生物学特性的影响等诸多技术问题仍悬而未决；不同大小软骨缺损的修复所需BMSCs的数量及其修复效果仍不清楚；磁靶向构建BMSCs板层结构的作用时间与细胞黏附比例亦有待进一步研究。

4 精确实现磁力构建的间充质干细胞组织工程结构可能更利于BMSCs成软骨分化

尽管MSCs缺少垂直方向上的相互贴壁作用，且关节软骨因其独特基质组成和结构而具有抗贴附特性[26]，但在磁力辅助固定一定时间后，细胞之间还是可以通过分泌细胞外基质和黏附分子达到生物学贴附，实现三维生长[27]。研究表明，BMSCs的软骨分化能力与移植细胞数量、密度有关。Wang等[28]的研究结果提示，适宜的低氧浓度对MSCs形成软骨过程中的细胞代谢具有重要的调节作用，外源性氧浓度的控制则可影响骨组织工程中基质分子的沉积；Maeda等[29]的研究结果提示，适当增加MSCs细胞密度有利于促进干细胞向软骨方向分化。而外加磁力的方法不仅有望使干细胞在体内实现聚集，还有利于观察移植至软骨损伤部位干细胞的适宜数量和密度，形成组织工程结构内部不同程度的缺氧环境，从而增强BMSCs的软骨分化能力[30]。

5 展望

磁力靶向移植BMSCs修复关节软骨缺损目前尚待解决的问题主要有：①磁力靶向移植BMSCs技术相关参数的确立；②体内外磁力靶向移植BMSCs修复关节软骨缺损的实验研究。在未来的组织工程领域，磁力靶向移植技术拥有广阔的应用前景，但如何在体内外精确实现磁标记细胞靶向移植，并完成靶向移植SPIO标记BMSCs的安全性评价，是必须解决的重要问题。一旦有所突破，将有望解决移植干细胞空间定位的问题，为组织工程技术修复关节软骨缺损提供新途径和新方法。

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（本文编辑：白朝晖）

第五期数字骨科技术（CAD-RP）应用学习班暨首届广总创伤骨科高峰论坛通知

为促进数字骨科技术——计算机辅助设计-快速成型（computer assisted design-rapid prototyping，CAD-RP）技术的发展与普及，提高骨科医师的数字骨科理论知识和实际操作水平，提升创伤骨科年轻医师处理复杂创伤的理论与实践能力，中华医学会数字医学分会临床数字骨科筹备组、广州军区广州总医院骨科医院定于2014年7月25至26日举办第五期数字骨科技术（CAD-RP）应用学习班暨首届广总创伤骨科高峰论坛。本次学习班由广州军区广州总医院骨科医院章莹教授主持，为国家级、全军级和广东省级继续教育项目（8学分），欢迎各位骨科同仁参加。

学习班将由尹庆水、夏虹、王钢、余斌、蔡贤华、张光明、张元智、金丹、唐三元、吴增晖、黄华扬、章莹等国内数字骨科及创伤骨科领域权威专家教授理论课程，同时还安排术前计算机模拟演示、快速成型机工作流程及各类快速成型标本展示等内容，使每一位参加学习班的学员都有机会学习和掌握先进的数字骨科技术及创伤骨科新进展。

学习班报名：广州军区广州总医院一号楼四楼杂志编辑部

授课地点：广州军区广州总医院骨科医院会议室

日程安排：7月25日 报到7月26日 理论授课及现场演示

费用：免注册费，住宿可统一安排（需提前预订），费用自理。

报名Email：gzzyy_gk@126.com（邮件主题请标注“学习班报名”）

联系人：麦小红（020-36655321），李恒锐（020-36654551）

通信地址：510010广州市流花路111号广州军区广州总医院骨科医院

报名截止时间：2014年7月15日（限额50人，额满即止）

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

国家自然科学基金项目（30870639）

510010广州军区广州总医院骨科医院

E-mail：06chjr1983@163.com