聚乳酸/聚羟基乙酸共聚物支架复合骨形态发生蛋白2基因增强的脂肪干细胞促进软骨缺损修复

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0056

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (6): 840-845.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0056

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聚乳酸/聚羟基乙酸共聚物支架复合骨形态发生蛋白2基因增强的脂肪干细胞促进软骨缺损修复

阮世强，邓江，鄢陵，黄文良

遵义市第一人民医院骨科三病区，贵州省遵义市 563003

收稿日期:2017-09-25 出版日期:2018-02-28 发布日期:2018-02-28
通讯作者: Orthopaedics Department, the First People’s Hospital of Zunyi, Zunyi 563003, Guizhou Province, China
作者简介:阮世强，男，1978年生，贵州省遵义市人，博士，副主任医师，主要从事骨与关节损伤研究。
基金资助:
国家自然科学基金项目(81660367)；贵州省科学技术基金项目(黔科合基础[2016]1420)

Polylactic acid/polyglycolic acid copolymer scaffolds carrying bone morphogenetic protein 2 gene enhanced adipose-derived stem cells promote cartilage defect repair

邓江，主任医师，硕士生导师，遵义市第一人民医院骨科三病区，贵州省遵义市 563003

Ruan Shi-qiang, Deng Jiang, Yan Ling, Huang Wen-liang

Received:2017-09-25 Online:2018-02-28 Published:2018-02-28
Contact: Deng Jiang, Chief physician, Master’s supervisor, Orthopaedics Department, the First People’s Hospital of Zunyi, Zunyi 563003, Guizhou Province, China
About author:Ruan Shi-qiang, M.D., Associate chief physician, Orthopaedics Department, the First People’s Hospital of Zunyi, Zunyi 563003, Guizhou Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81660367; the Science and Technology Foundation of Guizhou Province, No. [2016]1420

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

聚乳酸/聚羟基乙酸共聚物：是一种新的可用于人体组织工程的适合成骨的支架材料，为多聚阳离子型的基因载体，是转基因效率相对较高的一种非病毒载体。聚乳酸/聚羟基乙酸共聚物来源广泛，获取容易且可大批量生产，其生物相容性和力学特征优良，具有稳定的三维立体结构，可根据需求调节材料的空间结构、形态、机械强度及降解时间。

基因增强的组织工程技术：利用基因工程技术将编码特定功能因子的目标基因(如可诱导成骨的诱导基因)转移到具有成骨或分化成骨潜能的种子细胞上，种子细胞和支架材料经体外复合后植入缺损组织，使其能在体内表达，促进种子细胞增殖和分化、降低异体免疫性、促进血管化，利用新生骨组织达到修复骨软骨缺损目的。

背景：基因增强的组织工程技术可促进种子细胞的增殖和分化，降低异体免疫性，促进血管化，利于骨软骨缺损的修复。

目的：观察双层聚乳酸/聚羟基乙酸共聚物支架材料复合慢病毒介导人骨形态发生蛋白2转染的兔脂肪干细胞修复骨软骨缺损的效果。

方法：取30只雄性新西兰大白兔，制作双侧股骨关节软骨缺损模型，随机分2组干预，实验组(n=15)于骨缺损处植入骨形态发生蛋白2增强的脂肪干细胞-双层聚乳酸/聚羟基乙酸共聚物支架复合体，结合Mosaicplasty组织工程学技术将自体软骨组织用于填充骨软骨柱间隙；对照组(n=15)植入脂肪干细胞-双层聚乳酸/聚羟基乙酸共聚物支架复合体，结合Mosaicplasty组织工程学技术将自体软骨组织用于填充骨软骨柱间隙；植入后3个月，取缺损处骨修复组织，进行生物力学及蛋白聚糖水平检测；植入后3，6，12个月，取缺损处骨修复组织，进行组织形态学观察。

结果与结论：①植入后3个月，实验组压缩模量、蛋白聚糖水平均高于对照组(P < 0.01)；②对照组植入后3-12个月的缺损关节表面、颜色、形态及组织学形态均无任何明显变化；与对照组相比，实验组植入后3，6，12个月的缺损关节表面变得光滑，颜色变浅，有透明软骨样组织形成，缺损均有不同程度的愈合，且随着植入后时间的增加，上述变化趋势越来越明显；③结果表明，双层聚乳酸/聚羟基乙酸共聚物支架复合骨形态发生蛋白2基因增强的脂肪干细胞可显著促进骨软骨缺损的修复。

ORCID: 0000-0002-1582-8156(阮世强)
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 骨形态发生蛋白2, 脂肪干细胞, PLGA支架, 软骨缺损修复, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Gene-enhanced tissue engineering can promote the proliferation and differentiation of seed cells, reduce allogeneic immunity, promote vascularization, and facilitate the repair of osteochondral defects.

OBJECTIVE: To observe the effect of lentivirus-mediated human bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) transfected rabbit adipose-derived stem cells (ADSCs) cultured on polylactic acid/polyglycolic acid copolymer scaffold (PLGA) on osteochondral defect repair.

METHODS: Thirty male New Zealand rabbits were randomly divided into control group (n=15) and experimental group (n=15). Animal models of bilateral femoral cartilage defects were made in all rabbits. The experimental group was implanted with BMP-2-enhanced ADSCs/PLGA copolymer scaffold, and the control group was implanted with ADSCs/PLGA copolymer scaffold. In both groups, autologous osteochondral mosaicplasty was then performed. After 3 months of implantation, bone tissues at defect region were taken for biomechanical and proteoglycans detection. Histological observation was done at 3, 6, 12 months after implantation.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The compressive modulus and proteoglycan content of the experimental group were significantly higher than those of the control group at 3 months after implantation (P < 0.01). (2) At 3, 6 and 12 months after implantation, with the increase of postoperative time, the joint surface in the experimental group became more and more smooth, the color became more and more shallow, and the healing degree of the defect increased to different extent. However, there were no obvious changes in the joint surface, color, morphology and histomorphology in the control group. To conclude, BMP-2-enhanced ADSCs/PLGA copolymer scaffold could significantly promote the repair of osteochondral defects.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Bone Morphogenetic Proteins, Stem Cells, Cartilage, Articular, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

阮世强，邓江，鄢陵，黄文良. 聚乳酸/聚羟基乙酸共聚物支架复合骨形态发生蛋白2基因增强的脂肪干细胞促进软骨缺损修复[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(6): 840-845.

Ruan Shi-qiang, Deng Jiang, Yan Ling, Huang Wen-liang. Polylactic acid/polyglycolic acid copolymer scaffolds carrying bone morphogenetic protein 2 gene enhanced adipose-derived stem cells promote cartilage defect repair[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(6): 840-845.

图/表（结果） 4

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引言

材料方法

1.1 设计随机分组，对比观察动物实验。

1.2 时间及地点实验于2016年1月至2017年6月在遵义医学院第三附属医院和第三临床学院骨与关节损伤实验室完成。

1.3 材料

支架材料：PLGA复合支架由华南理工大学激光快速成形中心提供，其中高分子聚乳酸与羟基乙酸质量比为3∶1。

实验用主要试剂：胎牛血清、DMEM高糖培养基、DMEM/F12培养基、双抗、青霉素、链霉素(Gibco，USA)；Ⅰ型胶原酶(Sigma，USA)；爱茜蓝、番红O(上海，生工)；质粒pcDNA3.1-BMP-2、pcDNA3.1(Vector)(均带egfp荧光标签，GeneCopoeia，美国)。

实验用主要仪器：倒置荧光显微镜(OLYMPUS IX71，日本)；力学测试仪(Model 5543，Instron，Canton，MA)

实验动物：6月龄健康雄性新西兰大白兔1只，用于脂肪干细胞的分离培养，体质量3.1 kg，购自北京维通利华实验动物技术有限公司，许可证号：SCXK(京)2016-0011；3月龄健康雄性新西兰大白兔30只，体质量1.5-2.0 kg，购自北京维通利华实验动物技术有限公司，许可证号：SCXK(京)2016-0011。所有大白兔均在遵义市第一人民医院动物实验中心无菌培养室内饲养，所有操作均符合医院动物伦理中心制定的实验章程。

1.4 实验方法

1.4.1 脂肪干细胞的分离及培养实验兔麻醉后，于无菌操作室中分离兔腹股沟的皮下脂肪组织，将组织剪碎成约1 mm³大小的脂肪颗粒，加入2 mL的0.1%Ⅰ型胶原酶，37 ℃恒温震荡消化30 min，加入2 mL高糖DMEM完全培养基中和消化，随后1 500 r/min离心5 min，弃上清，用高糖的DMEM完全培养基重悬沉淀，并用200 μm的尼龙网过滤，过滤后的细胞悬液用细胞记数板记数。接种1×10⁵个细胞到25 cm²培养瓶中，于37 ℃、体积分数5%CO₂恒温培养箱内培养细胞，接种后第2天和第3天各换液1次，弃非贴壁细胞以纯化脂肪干细胞，每3 d换一次液，研究中所分离的脂肪干细胞均釆用CM-Dil来标记，标记后的脂肪干细胞细胞膜在倒置荧光显微镜下观察呈红色，经BD FACSAria^TM流式细胞分选仪(BD，USA)检测证实脂肪干细胞的标记率高达99.19%，认为脂肪干细胞分离培养成功^[6]。

1.4.2 BMP-2基因增强脂肪干细胞的建立将传代至第3代的脂肪干细胞制成细胞悬液，加入6孔板中，当细胞融合度约80%时弃培养基，PBS洗2次，将含BMP-2的慢病毒表达质粒pcDNA3.1-BMP-2及其阴性对照质粒pcDNA3.1分别以病毒/细胞数量=20的比例感染脂肪干细胞，每个6孔板中加入不含血清的DMEM/F12培养基200 μL，37 ℃、体积分数5%CO₂培养箱内孵育8 h，在每孔中加入2 mL的含体积分数10%胎牛血清的DMEM/F12培养基，继续置于恒温培养箱内培养，于感染3 d后观察荧光的表达量，并加入 2.0 mg/L嘌呤霉素，继续培养，直到所有细胞均可观察到荧光的表达。此时成功构建了BMP-2基因增强的脂肪干细胞稳转细胞株及其阴性对照细胞株。

1.4.3 构建细胞-支架复合体将PLGA复合支架置于含体积分数10%胎牛血清的高糖DMEM培养基中浸泡24 h过夜。取转染的第3代兔脂肪干细胞，以1×10¹⁰L^-1细胞浓度接种到置有支架材料的6孔板(经预湿处理)中，培养5-7 d后备用。

1.4.4 兔关节软骨缺损模型的建立及缺损填充取30只新西兰大白兔，麻醉后，于双侧股骨滑车处的关节面上用直径5 mm的钻头钻孔，钻孔深度为5 mm，构建兔关节软骨损伤模型，氯霉素冲洗损伤的关节腔，随机分2组干预：实验组将由BMP-2基因转染的脂肪干细胞-PLGA支架复合体植入软骨损伤处，其中PLGA支架材料采用双相设计，具有双层结构，使支架小孔朝向软骨下骨方向，小孔和软骨下骨直接接触，在阻碍下方成纤维细胞进入支架的同时，利用虹吸作用使利于软骨生长的BMP-2通过小孔进入到PLGA支架材料上，以起到更好的软骨修复效果；对照组将阴性对照基因转染的脂肪干细胞-PLGA支架复合体植入软骨损伤处，最后结合Mosaicplasty组织工程学技术(将自体骨软骨用于镶嵌成型的一种骨修复技术)的后续操作，两组将自体软骨组织用于填充骨软骨柱间隙。术后实验兔正常饲养，不需外固定，每日肌肉注射青霉素及庆大霉素5 d。术后取出缺损处骨修复组织，进行生物力学测定、组织学观察及蛋白聚糖含量测定^[7]。

1.5 主要观察指标

生物力学测定：植入后3个月，每组随机处死5只兔，取缺损处骨修复组织，将样本置于PBS中静置2 h，将样本固定于力学测试仪底座上，将缺损中心调整至压缩模具的垂直正下方，正式检测前，采用10 N最大力和0.05 mm/min速度进行压缩试测，直至压缩至软骨厚度20%时停止，待其缓慢恢复至原位时，记录该应力-应变曲线上的斜率，即为修复软骨组织的压缩模量(MPa)^[8]。

组织学评价：植入后3，6，12个月，每组每个时间点随机处死5只兔，取关节软骨缺损修复处的软骨组织，生理盐水冲洗，甲醛溶液中固定48 h，分组标记，经10%EDTA脱钙液脱钙30 d后，乙醇梯度脱水，二甲苯透明，浸蜡后横向石蜡包埋，由遵义市第一人民医院病理科制作4 μm厚的石蜡切片，经苏木精染色，番红-O染色后梯度乙醇脱水干燥，最后二甲苯透明，中性树胶封固^[9]。缺损修复再生组织的分级评分由3个专业的技术员独立完成，盲法评估。根据国际软骨修复协会(International Cartilage Repair Association，ICRS)的关节软骨修复的大体评估标准进行评价，包括改良态、修复组织厚度、表面平整程度、修复组织和周围软骨之间的结合状况、Ⅱ型胶原染色结果等方面^[10-11]，其结果反映了关节软骨修复程度，得分越高修复效果越好。

组织蛋白聚糖含量测定：植入后3个月分别取两组整个缺损区修复后软骨组织的标本，根据文献中爱茜蓝法的标准流程进行操作，检测修复的软骨组织中蛋白聚糖的含量^[12]。

1.6 统计学分析采用SPSS 15.0统计学软件进行数据分析，实验结果主要为计量资料，以x(_)±s表示，两组间数据比较采用成组t 检验，多组间比较采用单因素方差分析，多时点观测资料则采用重复测量方差分析。当P < 0.05时差异有显著性意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

讨论

骨软骨缺损是常见的临床疾病之一，其发病原因包括创伤、坏死、先天性疾病、肿瘤或感染等^[13-14]。目前治疗骨软骨缺损的常用修复手段为移植，其中Mosaicplasty是近年来国际上新兴的骨软骨损伤修复的移植技术，其原理是通过采用自体非负重区域的骨软骨柱进行镶嵌式移植，以修复中到大面积的负重区骨软骨缺损^[7，15]。与常用的基于转移自体全组织、使用单个或多个骨软骨自体移植物的骨软骨自体移植技术(osteochondral autograft transfer，OATS)不同，Mosaicplasty技术主要用于股髁，髌股关节和距骨的称重区域上小到中等大小的局灶性关节软骨或骨软骨缺损，该方法可克服股骨髁突、髌骨和距骨承重区域全层软骨损伤修复的困难和局限性，只需采用一步法就可实现透明样组织基质和软骨下骨的移植，结合基因工程技术，BMP-2转染种子细胞将显著增加成骨和伤口愈合^[15-17]。但Mosaicplasty技术也存在不足，如Mosaicplasty技术多用于形状规则的骨软骨柱移植，而缺损骨软骨组织常常形状并不规则，且缺损骨软骨组织的基底部或周围软骨和镶嵌骨软骨柱之间易发生整合不良，且易存在缺损间隙，而缺损间隙因无法被移植的软骨完全覆盖，仅可采用纤维组织来填充，从而影响修复的远期效果^[16-17]。另外，BMP-2的促成骨作用也是一把双刃剑，BMP-2在软骨修复的早期可促进软骨形成，但如何在软骨修复的后期调控BMP-2的表达、抑制软骨继续成骨也是目前需要继续去探究的问题。

骨软骨形成的3个必需因素是可分化成骨的种子细胞、适合成骨的支架材料及调节成骨的诱导因子^[18]。运用Mosaicplasty技术修复骨软骨损伤的关键，首先是获取稳定且可诱导分化为成骨细胞的干细胞，研究显示脂肪干细胞是除骨髓干细胞之外的另一可用于骨损伤修复的种子细胞，是可从脂肪组织中分离和培养出的脂肪间充质干细胞，具有自我更新和多向分化的潜能，具有类似骨髓间充质干细胞的恃性^[19]，其在体外特定的诱导条件下可分化成软骨、肌肉或脂肪组织，上皮、神经、心肌、肝或神经细胞^[20-21]。另外就获取途径而言，脂肪干细胞易从自体脂肪组织中大量获得，取材容易，创伤小，细胞含量高且增殖能力强，具有细胞分化的多向性和基因表达的稳定性，且脂肪干细胞取自自体脂肪组织，不涉及医学伦理学问题，可避免异种移植的免疫排斥反应等，是构建组织工程化软骨组织的理想种子细胞^[22-23]。另外脂肪干细胞体外条件下易导入外源性的诱导基因，是理想的基因治疗得目的基因载体。

PLGA是一种新的可用于人体组织工程的适合成骨的支架材料，为多聚阳离子型的基因载体，是转基因效率相对较高的一种非病毒载体^[24]。PLGA来源广泛，获取容易且可大批量生产，其生物相容性和力学特征优良，具有稳定的三维立体结构，可根据需求调节材料的空间结构、形态、机械强度及降解时间^[25]。另外PLGA支架材料无明显的机体毒性和免疫原性，其材料微环境利于种子细胞的增殖分化，材料易加工、消毒和储存^[26]。支架材料在软骨组织工程中所起的作用主要包括以下两点：细胞和诱导因子生长黏附的载体、骨软骨组织修复中临时支撑作用，引导新生组织向目标形状生长，PLGA的特征使其成为理想的成骨支架材料^[27]。

骨软骨形成另一个必需因素为调节成骨的诱导因子，其主要有3种实现方式，包括通过基因治疗技术使靶细胞释放、通过载体缓释或直接加入，后两者均为外源性给予诱导因子，而从天然生物中提取分离或采用基因工程表达提纯的外源性细胞因子均存在工序及产物复杂、产物稳定性弱且产量低等弊端^[28]。而内源性的基因治疗技术可通过将目标诱导因子的基因转染到种子细胞中，使靶细胞中的诱导因子可持续释放，从而诱导种子细胞的定向分化。诱导因子是干细胞包括脂肪干细胞发生定向分化的决定性影响因子，BMP-2是公认的活性最强、且可单独诱导干细胞成骨分化的特异性骨生长诱导因子。BMP-2的基因重组产物rBMP-2是目前全球惟一获批可用于临床的成骨诱导因子。但rBMP-2半衰期短、易降解和扩散、用药剂量大且价格贵，极大地限制了其临床应用^[29-30]。

BMP-2在脂肪干细胞诱导趋化和软骨细胞分化调控中发挥重要作用，使得其在软骨缺损再生修复中具有极大的应用空间。因此，本课题结合Mosaicplasty技术，以脂肪干细胞作为种子细胞，PLGA为成骨的支架材料，将诱导因子BMP-2通过慢病毒质粒转染到靶细胞脂肪干细胞中，将细胞-材料复合物填充于骨软骨柱的缺损之间，观察骨软骨缺损的修复整合状态。实验分3个部分，首先体外分离成年新西兰兔的颈部皮下脂肪，酶消化后经梯度离心，采用贴壁培养法对细胞进行传代扩增培养，观察其原代及传代细胞的形态及生长特点，根据细胞的生物学特性及其表型特征进行鉴定，为脂肪干细胞。随后分别转染BMP-2及其对照Vector的慢病毒表达质粒pcDNA3.1-BMP-2和pcDNA3.1到脂肪干细胞中，构建稳转细胞株。最后取30只新西兰大白兔，在股骨髁髌股关节部位制作关节软骨缺损模型，随机分为2组，每组15只，分别为实验组和对照组，将转染pcDNA3.1-BMP-2和pcDNA3.1的脂肪干细胞联合具有缓释作用的PLGA支架复合体用于修复兔关节软骨缺损，并对修复的效果进行评价。通过对修复组织的生物力学、组织学、蛋白聚糖水平进行评价，结果显示和对照组相比，实验组再生软骨的生物力学参数压缩模量、ICRS评分和蛋白聚糖水平均显著升高。另外对比两组修复后3，6，12个月的软骨组织大体形态及组织学检测结果，进一步证实BMP-2基因增强可使缺损修复，且缺损的愈合随着术后时间延长而修复效果不断加强。该结果显示PLGA支架材料联合BMP-2基因增强的脂肪干细胞能有效促进关节软骨缺损的再生修复和界面整合，提高软骨修复质量，而且移植的同种异体脂肪干细胞在软骨缺损部位能存活并参与软骨修复，且1年内时间越长软骨修复效果越好，上述证实BMP-2可促进脂肪干细胞的软骨形成分化，使软骨修复效果更好。该实验结果与BMP-2在软骨修复中的作用相一致^[31-33]，这种以BMP-2为基础的通过促进干细胞迁移和归巢的组织工程策略将有很好的应用前景。

综上，此次实验中采用种子细胞脂肪干细胞及特异性的支架材料PLGA，利用基因增强成骨诱导因子BMP-2刺激脂肪干细胞的增殖及定向分化，分化为软骨细胞，结合Mosaicplasty技术，用于骨软骨缺损的修复。通过修复组织的生物力学和组织学评价修复组织的蛋白聚糖水平测定，发现BMP-2基因增强的脂肪干细胞复合PLGA支架辅助Mosaicplasty技术可显著促进软骨缺损的修复，即转染BMP-2可使骨软骨缺损修复效果更好，该实验可能为BMP-2用于软骨组织修复并发挥正常生理功能，最终实现理想的功能替代奠定了理论和实验依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

聚乳酸/聚羟基乙酸共聚物支架复合骨形态发生蛋白2基因增强的脂肪干细胞促进软骨缺损修复

Polylactic acid/polyglycolic acid copolymer scaffolds carrying bone morphogenetic protein 2 gene enhanced adipose-derived stem cells promote cartilage defect repair

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