细胞周期同步化让软骨再生效率提升 30%！科学家找到组织工程关键开关

简介

本研究聚焦于关节软骨修复的组织工程策略，针对原代关节软骨细胞的细胞周期异质性问题，探索细胞周期同步化对软骨形成潜力的影响。通过评估多种同步化方法，发现双胸苷法可高效诱导细胞同步于 S 期，且经该方法处理的细胞在体外培养中能显著提升软骨细胞外基质(如糖胺聚糖、Ⅱ 型胶原)的沉积量，为优化软骨组织工程提供了新的技术路径。

导读

关节软骨损伤修复面临自我再生能力有限的难题，传统细胞移植疗法存在供体部位并发症及细胞保留率低等问题。本研究首次系统验证了细胞周期同步化在软骨组织工程中的价值：通过化学方法将原代软骨细胞同步于 S 期，即便细胞在培养后期逐渐失去同步性，仍能通过调控转化生长因子 -β(TGF-β)等信号通路，持久促进软骨基质合成。这一发现突破了 “均质化细胞群体” 的传统假设，为解决工程化软骨功能不足的临床挑战提供了理论依据。

研究背景

关节软骨损伤是常见病症，可由急性损伤或疾病恶化引发，常导致关节疼痛、活动受限及组织进行性破坏。当前修复策略如自体骨软骨移植和细胞移植虽短期临床效果较好，但存在供体部位并发症及细胞在治疗缺损处保留率低等问题。软骨组织工程作为替代方法颇具前景，然而体外生成具有合适尺寸、厚度及功能特性的工程化组织仍是重大挑战。此前研究多将分离的软骨细胞视为均质群体，却忽视了细胞周期进程的异质性对大分子生物合成的影响。有鉴于此，本研究旨在探索细胞周期同步化对原代关节软骨细胞软骨形成潜力的影响。

实验结果

图 1：原代关节软骨细胞的细胞周期同步化分析

内容：采用双胸苷法同步化细胞后，流式细胞术显示初始 S 期细胞比例达 92.7%，显著高于未处理对照组的 3.4%8-67🔷。培养 48 小时后，S 期细胞比例虽降至 81.6%，但仍维持较高同步状态，证实双胸苷法的有效性及同步状态的短期维持能力 8-69🔷。

图 2：工程化软骨构建物的生化特性分析

内容：培养 4 周时，同步化细胞构建物的 DNA 含量较未同步化组降低(P<0.05)，但糖胺聚糖(GAG)和胶原含量分别提升 20%-30%，胶原与 GAG 比值显著升高 8-86🔷。归一化分析显示，同步化组的基质合成效率随培养时间延长显著提升，提示 S 期同步化对长期软骨形成的促进作用。

图 3：Safranin-O 染色评估 GAG 分布

内容：同步化组的组织工程软骨在 2 周和 4 周时均显示更密集的红色 GAG 染色，Bern 评分分别为 6.6 和 7.4，显著高于对照组的 6.1 和 6.88-93🔷95🔷。4 周时同步化组细胞密度更高，可见双核细胞及陷窝形成，表明活跃的细胞分裂和基质合成。

图 4：Sirius red 染色分析胶原沉积

内容：同步化组的胶原纤维呈更均匀的红色分布，4 周时 Bern 评分为 7.6，与对照组的 7.9 无显著差异，但胶原排列更有序 8-94🔷95🔷。该结果与生化分析中胶原含量的提升一致，证实同步化对胶原合成的促进作用。

图 5：胶原 Ⅱ 免疫组化染色

内容：两组均以胶原 Ⅱ 表达为主(红色染色)，同步化组 4 周时胶原 Ⅱ 分布更均匀，Bern 评分为 6.7，与对照组的 7.0 无显著差异，但阴性对照(胶原 Ⅰ)染色极弱，表明软骨表型的维持 8-101🔷95🔷。该结果验证了同步化未引发软骨细胞去分化。

研究结论

本研究评估了多种细胞周期同步化方法，发现双胸苷法可使原代关节软骨细胞高效同步于 S 期，且细胞活力较高。尽管同步化细胞在封装后 24 小时开始逐渐失去同步状态，但经其构建的组织工程软骨在培养 4 周后，糖胺聚糖(GAG)和 Ⅱ 型胶原含量显著高于未同步化细胞构建的组织。该效应推测与 S 期活跃分裂细胞快速自诱导转化生长因子 -β(TGF-βs)、刺激软骨形成有关。细胞周期同步化方法可与再分化方法结合，有望提升去分化或病变软骨细胞的软骨形成潜力。