SPIO标记细胞磁靶向移植修复关节软骨缺损可行性的初步研究

摘要

背景:
　　关节软骨损伤是骨关节与运动系统临床常见病之一,但众所周知损伤后的关节软骨难以修复,治疗十分棘手;而随着病程的进展,可能出现不同程度的疼痛及关节活动障碍等症状,给患者的生活带来极大的影响。目前临床治疗方法众多,但均有其各自的局限性,没有一种较为理想的临床治疗路径能够从结构和功能两方面较好地修复缺损的软骨。随着组织工程和再生医学的飞速发展,应用组织工程技术,进行软骨细胞或间充质干细胞移植,从而再生修复软骨,成为当前针对软骨缺损的有效治疗策略之一。而结合“微创”的医学诊治理念,在细胞移植疗法中,经关节腔注射种子细胞的移植途径因其创伤小、可操作性及重复性强,而被认为是目前最有前景的微创治疗方式之一。
　　有研究指出,经关节腔注射骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)有望修复关节软骨损伤,但这种方法依然面临着严峻的挑战,治疗效果并不理想。其中的主要问题之一便是种子细胞的主动转运和归巢能力不足,而关节腔是密闭的不规则三维空间,有其特定的解剖结构和生理环境,注射进去的种子细胞仅仅依靠微环境中各种因子、受体等的趋化和调节作用难以在有效时间内迁移、聚集并贴附于软骨损伤部位发挥修复作用,而关节液的流动性和稀释作用也可能对种子细胞在损伤部位的定植形成负面影响,导致最终如期到达软骨损伤区并完成贴附的种子细胞数量稀少,治疗效果受到影响。此外,大多数细胞如果粘附于滑膜组织或关节腔内其它部位,或者游离于关节液中,还可能诱发炎性反应,引起滑膜增生,形成游离体、瘢痕组织等,不仅浪费了种子细胞,还增加了并发症的风险。
　　因此,如何在微创和高效之间找到一个理想的契合点,是细胞移植技术在软骨缺损治疗研究中的一个关键问题。而在关节腔注射这种微创治疗技术的应用中,迫切需要解决的问题便是寻找一种能够将种子细胞高效而精确地引导至目标区域的细胞靶向技术,从而突破这种微创疗法的瓶颈,使细胞移植在软骨损伤的治疗中变得更加安全、高效、便捷,易于推广实施。
　　目的:
　　本实验旨在探索一种新型的细胞靶向技术,即在活体动物关节腔内利用特定的磁场将超顺磁性氧化铁(superparamagnetic iron oxide,SPIO)标记的种子细胞引导并聚集于预先设定的软骨缺损区域,从而增加移植细胞的有效数量,提高治疗效率,减少创伤及并发症,并初步探讨该技术在医学领域中的可行性及应用前景。
　　方法:
　　1.种子细胞的获取、体外培养、扩增及SPIO标记
　　从家兔膝关节及肋软骨获取透明软骨细胞作为种子细胞,体外培养扩增,以PEI/SPIO(聚乙烯亚胺包被的超顺磁性氧化铁)对其进行磁标记。参考既往实验结果,适宜的磁标记浓度为8.0μg/ml,最佳孵育时间为24h。
　　2.建立活体兔膝关节腔内磁靶向细胞移植模型
　　于家兔左膝关节股骨滑车中央垂直钻取直径5mm、深6mm的骨软骨缺损。向实验组缺损内置入灭菌后的圆柱形钕铁硼强力永磁体(直径5mm、高4mm),对照组置入相同规格大小的骨水泥或骨蜡。术后3周用于活体磁靶向移植研究。
　　3.活体兔膝关节腔内磁靶向移植SPIO标记的同种异体透明软骨细胞
　　按步骤1方法获取家兔透明软骨细胞,体外培养扩增至第4代,先进行5-溴脱氧尿嘧啶核苷(5-bromo-2-deoxyuridine,BrdU)标记48h,再换SPIO标记液孵育24h,将双重标记后的细胞制成细胞悬液,注入步骤2中制作成功的家兔膝关节磁靶向移植模型中,每只兔膝注入细胞数量为1×106,1周后处死动物取材,组织块常规固定、脱钙后石蜡包埋,连续切片,交叉行HE(hematoxylin-eosin)染色、普鲁士蓝(prussianblue,PB)染色和BudU免疫组化显色,观察比较实验组和对照组缺损区的移植细胞数量及生长状态,并于高倍镜下随机选取5个视野计数种子细胞数目,采用SPSS18.0进行两独立样本t检验,P<0.05为显著统计学差异。
　　结果:
　　1.种子细胞的获取、体外培养扩增及SPIO标记
　　培养细胞生长状况良好,以8.0μg/ml的PEI/SPIO标记后行普鲁士蓝染色于镜下见细胞内含蓝色颗粒计为染色阳性,得出SPIO标记率为95％以上。
　　2.建立活体兔膝关节腔内磁靶向移植模型
　　实验组及骨水泥组一般情况好,伤口愈合顺利,炎性反应及排异反应小,可以用作活体内磁靶向细胞移植模型。骨蜡组因易于发生排异反应且持续不愈,不适于做为对照组而被排除。
　　3.活体兔膝关节腔内磁靶向移植SPIO标记的同种异体透明软骨细胞
　　(1)标本大体观
　　取材时见实验动物关节腔内无感染,皮下及滑膜可见轻度炎性反应,少量滑膜增生水肿,关节液清亮,软骨颜色正常、质地光滑、光泽度好,表面无裂痕、糜烂等异常,缺损区见灰褐色组织覆盖。与缺损相对应的髌骨面未见明显异常。
　　(2)组织学观察
　　组织切片HE染色见实验组置入的磁体表面(原缺损区)大量细胞聚集生长,部分呈巢状,形态类似透明软骨细胞,可见分裂相。与周边正常软骨组织相比,移植细胞密度略高,且排列较为散乱;普鲁士蓝染色示实验组缺损区聚集的细胞及磁体周围细胞呈现特异性蓝染,同时BrdU显色示类似分布的细胞核深染为棕褐色,提示为外源性植入的种子细胞,阳性细胞密度为(273.6±72.4)/HP。对照组缺损区域可见大量成纤维细胞呈条索状排列生长,间以炎性细胞浸润,以淋巴细胞为主,可见血管长入,少量被标记后显色的细胞散在分布,蓝染细胞及棕褐色细胞核数目稀少,密度为(39.6±14.4)/HP,差异显著(t=6.343,P=0.001)。
　　结论:
　　1.活体家兔膝关节腔内,以8.0μg/ml浓度的PEI/SPIO标记的同种异体透明软骨细胞在特定磁场作用下,可被靶向至预先设置的目标区域,使该区的种子细胞数量显著增加,初步提示了活体内磁靶向技术的可行性。
　　2.磁靶向移植的种子细胞可在磁力辅助下完成早期的贴附与定植,从而构建成一种无支架和/或其它辅助固定的三维立体“细胞板层”状组织工程结构。
　　3.本实验观察时间有限,仅能证实SPIO标记的细胞通过磁场靶向移植的早期效果,对于细胞功能的远期观察和组织修复效果的评价则有待进一步研究。

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缩略语表

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第一章 前言

第二章 种子细胞体外培养扩增及SPIO标记

2.1 材料与方法

2.2 结果

2.3 讨论

2.4 小结

第三章 活体兔膝关节腔内磁靶向细胞移植模型的建立

3.1 材料与方法

3.2 结果

3.3 讨论

3.4 小结

第四章 活体兔膝关节腔内磁靶向移植SPIO标记同种异体透明软骨细胞实验

4.1 材料与方法

4.2 结果

4.3 讨论

4.4 小结

全文结论

参考文献

文献综述SPIO探针在医学基础与临床的应用进展

参考文献

硕士研究生期间参与的科研学术情况

致谢