磁共振成像在低氧預處理骨髓間充質干細胞修復關節軟骨損傷的應用
圖1：南方醫科大學附屬三院和中山大學附屬五院在J Biomed Nanotechnol發表文獻
使用細胞低氧工作站型號：Ruskinn低氧工作站Invivo2 300 ; 所使用的O2濃度 1%, 20%。
軟骨是由細胞外基質和單一軟骨細胞組成的一種乏血管、乏神經的結締組織，其獲取營養的唯一方式是通過周圍組織的彌散。基于這樣的解剖及生理基礎，軟骨一旦損傷，其自我修復的能力非常有限。而且，因為它缺乏血管，軟骨的含氧量在健康人體的淺表區域為7%到10%，相比之下，這個數值在關節腔內低至1%。因此，氧濃度是一個重要的外部因素，它對骨髓間充質干細胞的表型、周期、凋亡、遷移、分化能力都具有一定的影響。
為了減少氧濃度的差異導致的實驗偏差，南方醫科大學附屬三院和中山大學附屬五院的研究者首次將低氧條件引進超順磁性氧化鐵納米顆粒（SPIONs）的示蹤研究，使用低氧工作站模擬機體內低氧環境，探索低氧與SPIONs共同調節下骨髓間充質千細胞（BM-MSCs）的生物學行為變化。
實驗中首先構建了一種新型的帶有正電荷的、包裹聚乙烯亞胺和大分子硬脂酸修飾的SPIONs。在細胞層面上，通過細胞毒性實驗選取標記的SPIONs的最佳濃度，然后設置常氧不標記組、常氧標記組、低氧不標記組、低氧標記組，通過對標記率、細胞周期、凋亡、活性氧、分化潛能、遷移能力和相關基因表達的檢測。然后，通過MRI掃描檢測低氧條件下SPIONs標記的BM-MSCs成像效果。發現低氧條件下，SPIONs標記BM-MSCs后可以保持BM-MSCs的干性，減少活性氧的產生給細胞帶來的損傷，同時低氧可以促進高表達軟骨相關標記物。
圖2 SPION labeling and culture condition impact
on cell pluripotency. (A) Oil red O staining for the adipogenic
differentiation of BM-MSCs (i–iii) and real-time PCR analysis of LPL and
PPAR- mRNA expression (iv). (B) Alizarin red staining for osteogenic
differentiation of BM-MSCs (i–iii) and real-time PCR analysis of BSP,
Runx2 and BMP-2 mRNA expression (iv). (C) Alcian blue staining for
osteogenic differentiation of BM-MSCs (i–iii) and real-time PCR analysis
of collagen II, collagen X, aggrecan and SOX-9 mRNA expression (iv).
Herein, Western blot assays were used to determine the protein
production of Collagen II, SOX-9 and HIF1 (v); -actin was used as an
internal reference. (n = 3, ?P < 0.05, ??P < 0.01).
圖三 MRI images of a cartilage defect after
BM-MSC therapy. (A) and (D) MRI images of the cartilage defect 14 and 30
days after injection of PBS (control group). (B) and (E) MRI images of
the cartilage defect 14 and 30 days after injection of the SPION-labeled
BM-MSCs under normoxia culture conditions. (C) and (F) MRI images of
the cartilage defect 14 and 30 days after injection of the
hypoxia-preconditioned SPION-labeled BM-MSCs. The white arrows show the
tochlear of the rat’s right legs in A, C, D, and F, and the tochlear of
the rat’s left legs in B and E.
之后通過大鼠關節軟骨損傷模型進行驗證，發現低氧條件下標記SPIONs的BM-MSCs在大鼠體內可產生更多的軟骨樣細胞，對損傷的修復效果也更好。
體外和體內實驗證實了低氧及SPIONs共同調節下可增強BM-MSCs成軟骨分化和迀移能力，修復關節軟骨損傷效果更好。