作者：施云威北京积水潭医院

骨关节炎（OA）是一种退行性关节疾病，在老年人中很常见。骨性关节炎的病因是多因素的，目前尚不清楚。由于软骨缺乏固有的自我修复能力，需要进行干预以减缓或阻止疾病进展。然而，物理疗法和疼痛管理药物等症状缓解措施的疗效非常有限。对于晚期患者，关节置换成为最具成本效益的外科干预措施。然而，老年人并发症的风险很大，鉴于植入物的寿命只有10-15年左右，大多数患者可能需要进行第二次手术。因此，骨关节炎的疾病矫正治疗对于尽可能推迟关节置换时间至关重要。目前，有一些候选药物正在开发中，如包括基质金属蛋白酶（MMPs）在内的抗退行性变药物、带有血小板反应蛋白基序（ADAMTS）抑制剂的去整合素和金属蛋白酶、sprifermin等软骨再生诱导剂、抗骨吸收剂和涉及抗体和小分子的抗炎药。然而，到目前为止，大多数候选药物的临床试验结果令人失望且微不足道，导致了巨大的努力和资源浪费。这表明迫切需要提高我们对OA病理生理学的理解，并为OA治疗选择最有效的候选者。因此，建立生理学相关的临床前模型，以便能够精确和准确地研究疾病表型，并进行高通量药物筛选至关重要。考虑到疾病的异质性，特定于患者的模型将更加可取，因为它们有望对这种复杂的疾病提供更多的见解。
现有的体外模型包括单层培养、三维支架培养和软骨外植体培养。软骨细胞的单层培养很简单，是最常用的培养方法，但当细胞从组织中分离出来时，细胞通常会失去体内表型。颗粒培养是最常见的3D培养模型。然而，由于软骨中细胞稀少，软骨细胞的增殖能力有限，将大量细胞放入单个颗粒中对于高通量筛选既不实用也不经济。有限的供应也是外植体培养方法的主要关注点，它也存在中央坏死的问题。随着细胞生物学和生物材料的进步，组织工程方法正被带到体外模型开发的前沿。通过使用生物相容性材料作为支架，组织工程师可以建立具有体内模拟微环境的三维培养，帮助开发体外疾病模型。
我们小组之前已经建立了一个基于胶原蛋白的微胶囊化平台，该平台将活细胞包裹在重建的纳米纤维胶原蛋白网中，为细胞附着、增殖、迁移和分化提供生物相容性和生理相关的微环境。在之前的一份报告中，我们的研究小组还证明，OA患者的软骨细胞与间充质干细胞（MSCs）共培养时表现出表型变化。这表明胶原网内的软骨细胞能够感知外界因素并对其作出反应。这也表明胶原蛋白微球有潜力作为研究OA的体外模型。
在这项研究中，我们旨在评估原发性人类骨关节炎软骨细胞（hOAC）在三维胶原微球中微囊化时的表型。作为参考，我们将软骨细胞表型与传统2D单层培养和3D颗粒培养模式下的软骨细胞表型进行了比较。具体而言，我们旨在研究这些体外模型中主要软骨形成、骨关节炎和肥大标志物的结构变化、表达以及细胞外基质尤其是糖胺聚糖（GAG）和II型胶原的细胞沉积，以评估这些体外模型恢复和保持OA软骨细胞表型的能力。此外，我们还想证明当暴露于一些外部因素，包括无血清培养基、缺氧和转化生长因子β（TGF-β）时，胶原微球中hOAC的表型变化。将这些表型变化与以前的研究报告进行比较，以揭示三维胶原微球模型作为疾病修饰治疗体外筛选模型的能力。
这项工作评估了三维胶原微球培养中hOACs的表型，并将该模型中hOAC的表型维持与二维单层培养、三维颗粒培养和天然OA组织中的hOAC表型维持进行了比较。它还证明了三维胶原微球中hOAC在暴露于无血清培养基、缺氧和TGF-β等外部因素时的反应性，与之前的研究相一致。
Pellet是一种在不同体外模型中培养软骨细胞的成熟3D培养物，因为其高细胞密度可能类似于间充质浓缩，并且能够在一定程度上恢复体内表型。处理的简单性是其流行的另一个原因。然而，颗粒仅从细胞开始，细胞需要时间来沉积自己的新ECM并成为仿生细胞。由于组织来源有限，软骨细胞稀少，体外软骨细胞增殖能力有限，将大量原代细胞压缩成单个颗粒并不经济，并且在制作患者衍生模型时可能具有挑战性。
为了克服颗粒培养遇到的这些困难，正在使用不同的方法培养初级软骨细胞。带有旋转壁容器的微载体是一种很有前途的方法。然而，这种生物反应器方法需要高度专业化的设备，可能并非每个群体都能使用。另一方面，生物材料支架3D培养方法为实现目标提供了一种非仪器依赖的方法。合成生物材料可以为软骨细胞培养提供一个灵活的平台，具有针对不同细胞类型的定制特性。然而，这种方法需要优化各种材料特性，以及细胞毒性最小化和生物相容性最大化。相反，使用天然聚合物可以提供更简单的方法，避免细胞毒性和生物相容性问题。纤维蛋白胶、胶原蛋白、壳聚糖已被证明是体外细胞培养的良好选择。我们的研究为胶原蛋白支架在建立hOAC三维培养中的应用提供了证据。