滑膜間充質干細胞的生物學特性及其在軟骨組織工程中應用的研究進展

袁 洋 綜述，王思涵，郭小凱，劉 暢 審校

(吉林大學口腔醫院正畸科，吉林 長春 130021)

滑膜間充質干細胞的生物學特性及其在軟骨組織工程中應用的研究進展

袁 洋 綜述，王思涵，郭小凱，劉 暢 審校

(吉林大學口腔醫院正畸科，吉林 長春 130021)

滑膜間充質干細胞(Synovium-derived mesenchymal stem cells，SMCSs)的增殖能力強，分離方法簡便，具有多向分化潛能。其中SMSCs的成軟骨分化能力尤為突出，被廣泛應用于軟骨缺損修復的實驗中，因此SMSCs可能成為軟骨組織工程領域中新的種子細胞，為關節軟骨疾病治療提供了新的可能性。本文對SMSCs的組織來源、生物學特性以及在軟骨組織工程中的應用展開綜述。

滑膜間充質干細胞；種子細胞；軟骨組織工程

干細胞是一類具有高度自我更新能力和多向分化潛能的細胞，可向不同胚層來源的組織分化。間充質干細胞首先在骨髓組織中被分離出，隨后，在其他多種組織中都發現了間充質干細胞，如脂肪、肌肉等。De等[1]首先在人體滑膜組織中分離出一種具有高度增殖能力，并且可以向多種細胞分化的細胞，經鑒定后命名為滑膜間充質干細胞(Synovium-derived mesenchymal stem cells，SMSCs)。SMSCs在表現出一般成體干細胞生物學行為的同時，還具有高度成軟骨分化能力[2-3]，在體內體外實驗中均表現出了其優越的軟骨缺損修復的能力[4-5]，為關節軟骨損傷疾病提供了新的治療方向。

1 SMSCs的組織來源

自從人體干細胞于1999年在骨髓組織中被分離出后，隨后也陸續在其他組織中被分離出來[6]。同時，干細胞也可在滑膜、骨周膜和關節軟骨等各種結締組織中分離出來[2]?；じ鶕陉P節囊內的解剖位置可分為兩層：表層的內膜和內膜下方的內膜下層，即纖維性滑膜和脂肪性滑膜。內膜較為疏松，沒有血管和基底膜支持，內膜下層是由散亂的細胞和血管組成的網狀結締組織[7]。Futami等[8]學者發現兩種滑膜來源的SMSCs在細胞形態、表面分子、集落形成效率、成軟骨、成骨、成脂能力等方面具有相似的特點。

2 SMSCs生物學特性

2.1 SMSCs表型特點 SMSCs表面分子與骨髓間充質干細胞（Bone marrow-derived mesenchymal stem cells，BMSCs）相似。通過流式細胞儀分析，來源于健康人和類風濕性關節炎患者的兩種SMSCs表面CD14、CD35、CD45為陰性，而CD44、CD90、CD105和CD166為陽性[9]，此結論與Harvanová等[7]研究結果相符合。此外，還有一些分子如CD44、CD73、CD271等存在于SMSCs表面[10-11]，但是在這些研究報道中，SMSCs表面的分子有著一定的差異。Gullo等[2]通過流式細胞儀鑒定出SMSCs表面存在CD271、CD81、CD73、CD166、CD146、CD13，CD45和CD90。而也有學者的研究顯示SMSCs表面的CD14、CD34、CD45為陰性，CD44、CD73、CD90和CD105為陽性，結果與BMSCs相似。以上論述也說明在SMSCs表面分子的研究中，尚存在一些小的爭議。Van Landuyt學者等[12]發現在SMSCs亞群中CD271在經過培養和未經過培養的SMSCs中的表達有著一定的區別，而且CD34在健康人來源SMSCs中的表達要高于骨關節炎患者。因此，本文認為SMSCs表面的分子表型可能會隨著周圍環境條件變化而發生輕微改變，具體機制尚不清楚，有待于進一步研究。

2.2 SMSCs的增殖特點 干細胞鑒別的重要條件是集落形成效率和成纖維細胞樣形態，主要是通過觀察細胞的克隆能力和細胞的梭形形態[13]。Futami等[8]發現鼠來源SMSCs的集落形成數目要明顯高于骨髓和肌肉來源的間充質干細胞。研究表明單克隆細胞群的平均傳代次數為20次，甚至一部分細胞群傳代次數超過50次，表現出了高水平的克隆能力[14]。并且SMSCs的集落形成能力隨著傳代次數的增加而逐漸減小，此現象與選取樣本的方法無關[4]。

SMSCs作為一種新興的種子細胞，和傳統的間充質干細胞相比，具有更強的增殖能力[15]，因此受到組織工程學的廣泛關注。SMSCs用單層細胞培養方法可達到廣泛擴增的目的，而且細胞衰老現象很少。而且，適宜低密度的擴增可以使SMSCs得到最大程度的增殖，這樣高水平的增殖能力使得在臨床應用中，小樣本的滑膜組織即可獲得足量的SMSCs[16]。除了SMSCs自身的高度增殖能力以外，Kim等[17]發現堿性成纖維細胞生長因子（Basic fibroblast growth factor，bFGF）能改變SMSCs在單層細胞培養過程中的形態，并且提高SMSCs的增殖效率。以上結果表明與傳統間充質干細胞培養的產量相比，SMSCs的增殖效果更好，并且可以通過細胞因子處理使其增殖效率達到更高的水平。

2.3 SMSCs的多向分化潛能 SMSCs在適宜的誘導條件下可以分化為軟骨細胞、骨細胞和脂肪細胞[1]。此外，Peck等[18]將SMSCs應用到骨骼肌修復的研究中，證實SMSCs可向肌細胞分化，而Liu等[19]提取顳下頜關節來源SMSCs，通過用bFGF誘導使SMSCs向神經細胞分化，在鏡下觀察到SMSCs表現出神經細胞的形態，并且發現SMSCs不僅分化為神經細胞，還表達了特異性標記分子。綜上可知，SMSCs具有多向分化潛能。

而另一方面，與其他組織來源的間充質干細胞相比，SMSCs也表現出了更好的分化潛能。與脂肪來源間充質干細胞（Adipose-derived stem cells，ADSCs）相比，SMSCs在成骨分化、成軟骨分化兩方面均要優于ADSCs，二者在成脂分化能力上相似[20]。與骨髓來源干細胞相比，SMSCs在成軟骨分化和成脂分化能力上都要強于BMSCs，而成骨分化能力較BMSCs稍弱[21]。這三種來源的間充質干細胞在成骨分化能力的比較上存在爭議，因文獻較少尚無定論，需要進一步明確。

3 SMSCs在軟骨分化組織工程中的應用

SMSCs作為一種軟骨分化能力極強的間充質干細胞，為組織工程學提供了新的細胞來源[22]。如前文所述，SMSCs與骨髓、脂肪、肌肉等組織來源的間充質干細胞相比，具有更高水平的軟骨分化能力[23]，在實驗中也表現出了較好的成軟骨效果，修復了缺損的軟骨模型，因此更適合于軟骨組織工程修復。

鑒于骨髓間充質干細胞共培養研究取得較好結果[24]，SMSCs與關節軟骨細胞共培養的策略也被設計出來。Zhang等[25]將軟骨細胞用腺病毒載體轉染TGF-β3基因，和SMSCs共培養，發現不但能有效的誘導SMSCs向軟骨細胞分化，而且分化得到的軟骨細胞表面具有典型的軟骨細胞表型分子。在修復軟骨的過程中通常是采用微球培養方法增強誘導分化的效果[26]。SMSCs向軟骨分化的機制尚未研究清楚，有研究表明SMSCs在生長因子誘導下向軟骨分化可能與RhoA/Rho激酶信號通路的調節有關[27]。

三維支架在干細胞培養中的應用成為近些年的研究熱點[28]。干細胞的增殖及其分化方向取決于其所處的微環境。因此，成熟的軟骨細胞和SMSCs被廣泛的用于三維支架培養，以促進關節軟骨的再生[29]。研究證明了SMSCs在水凝膠三維支架中，用TGF-β3和BMP-2進行誘導，可促進SMSCs在三維培養中更好地向軟骨方向分化，來完成關節軟骨損傷的修復[30]。

此外，研究表明大部分SMSCs在10 min內粘附到軟骨缺損表面，促進了關節軟骨的修復[31]，而基于這種局部粘附技術，一種新的移植方法被提出來，即制作SMSCs的共聚物[32]。這種方法能夠使SMSCs變得肉眼可見，并且重量更大，使操作變得簡單，而且，與分散的間充質干細胞相比，SMSCs的共聚物在懸液中下沉的速度更快。使用SMSCs的共聚物進行研究能減少軟骨缺損表面的干細胞流失，還能改善SMSCs移植的手術過程。Suzuki等[33]對SMSCs共聚物的性質和用途進行研究，發現體外培養過程中SMSCs共聚物產生的軟骨基質比單層細胞培養多，體內培養過程中SMSCs共聚物通過表面張力迅速粘附到軟骨缺損表面，幾乎沒有干細胞的丟失，從而證明了SMSCs共聚物移植的方法具有操作簡易、軟骨分化水平更高且粘附效率更高等優點，為軟骨修復提供了一種新的可能性。

4 展望

SMSCs因取材方法簡單、增殖能力強、粘附效率高、成軟骨分化水平高等特點而被看作是軟骨組織工程中新興的種子細胞，并且為關節軟骨損傷的修復提供了新的研究方向[34-36]。SMSCs的高成軟骨分化能力被認為可能與其局部生理環境有關，原滑膜組織分泌的營養因子和滑膜液的刺激，使其周圍的生理環境適合于SMSCs向成軟骨分化[13]，但是具體機制還未清楚，有待進一步研究。

[1]De Bari C,Dell'Accio F,Tylzanowski P,et al.Multipotent mesenchymal stem cells from adult human synovial membrane[J].Arthritis Rheum,2001,44(8):1928-1942.

[2]Gullo F,De Bari C.Prospective purification of a subpopulation of human synovial mesenchymal stem cells with enhanced chondro-osteogenic potency[J].Rheumatology,2013,52(10):1758-1768.

[3]Fu P,Zhang L,Wu H,et al.In vitro differentiation of synovial-derived mesenchymal stem cells infected by adenovirus vector mediated by bone morphogenetic protein 2/7 genes into fibrocartilage cells in rabbits[J].Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi,2013, 27(3):345-352.

[4]Santhagunam A,Santos F,Madeira C,et al.Isolation and ex vivo expansion of synovial mesenchymal stromal cells for cartilage repair [J].Cytotherapy,2014,16(4):440-453.

[5]Lee JC,Lee SY,Min HJ,et al.Synovium-derived mesenchymal stem cells encapsulated in a novel injectable gel can repair osteochondral defects in a rabbit model[J].Tissue Eng Part A,2012,18 (19-20):2173-2186.

[6]Kuroda S.Bone marrow stromal cell transplantation for ischemic stroke-its multi-functional feature[J].Acta Neurobiol Exp(Wars), 2013,73(1):57-65.

[7]Harvanová D,Tóthová T,Sari?sky M,et al.Isolation and characterization of synovial mesenchymal stem cells[J].Folia Biol(Praha), 2011,57(3):119-124.

[8]Futami I,Ishijima M,Kaneko H,et al.Isolation and characterization of multipotential mesenchymal cells from the mouse synovium [J].PLoS One,2012,7(9):e45517.

[9]Zhang Z,Ding Y,Li W,et al.Interleukin-17A-or tumor necrosis factor alpha-mediated increase in proliferation of T-cells co-cultured with synovium-derived mesenchymal stem cells in rheumatoid arthritis[J].Arthritis Res Ther,2013,15(5):R169.

[10]Gimble JM,Bunnell BA,Guilak F,et al.Isolation and growth of stem cells[M].Tissue Eng,2011:93-111.

[11]Campbell DD,Pei M.Surface markers for chondrogenic determination:a highlight of synovium-derived stem cells[J].Cells,2012,1 (4):1107-1120.

[12]Van Landuyt K,Jones E,Mcgonagle D,et al.Flow cytometric characterization of freshly isolated and culture expanded human synovial cell populations in patients with chronic arthritis[J].Arthritis Res Ther,2010,12(1):R15.

[13]Koga H,Muneta T,Ju YJ,et al.Synovial stem cells are regionally specified according to local microenvironments after implantation for cartilage regeneration[J].Stem Cells,2007,25(3):689-696.

[14]Karystinou A,Dess’Accio F,Kurth TBA,et al.Distinct mesenchymal progenitor cell subsets in the adult human synovium[J].Rheumatology,2009,48(9):1057-1064.

[15]Qi J,ChenA,You H,et al.Proliferation and chondrogenic differentiation of CD105-positive enriched rat synovium-derived mesenchymal stem cells in three-dimensional porous scaffolds[J].Biomed Mater,2011,6(1):15-21.

[16]Jones BA,Pei M.Synovium-derived stem cells:a tissue-specific stem cell for cartilage engineering and regeneration[J].Tissue Eng Part B Rev,2012,18(4):301-311.

[17]Kim J H,Lee MC,Seong SC,et al.Enhanced proliferation and chondrogenic differentiation of human synovium-derived stem cells expanded with basic fibroblast growth factor[J].Tissue Eng Part A, 2011,17(7-8):991-1002.

[18]Peck Y,Wang DA.Synovial Mesenchymal Stem Cells and Their Applications in Musculoskeletal Regeneration[M].Emerging Trends in Cell and Gene Therapy Humana Press,2013:373-409.

[19]Liu Z,Long X.Differentiation of temporomandibular joint synovial mesenchymal stem cells into neuronal cells in vitro:an in vitro study[J].Cell Biol Int,2011,35(1):87-91.

[20]Mochizuki T,Muneta T,Sakaguchi Y,et al.Higher chondrogenic potential of fibrous synovium-and adipose synovium-derived cells compared with subcutaneous fat-derived cells:distinguishing properties of mesenchymal stem cells in humans[J].Arthritis&Rheum, 2006,54(3):843-853.

[21]Djouad F,Bony C,Haupl T,et al.Transcriptional profiles discriminate bone marrow-derived and synovium-derived mesenchymal stem cells[J].Arthritis Res Ther,2005,7(6):R1304-R1315.

[22]Kurth TB,Dell'Accio F,Crouch V,et al.Functional mesenchymal stem cell niches in adult mouse knee joint synovium in vivo[J].Arthritis&Rheum,2011,63(5):1289-1300.

[23]Santhagunam A,Madeira C,Cabral J.Genetically engineered stem cell-based strategies for articular cartilage regeneration[J].BiotechnolAppl Biochem,2012,59(2):121-131.

[24]Wu L,Prins HJ,Helder MN,et al.Trophic effects of mesenchymal stem cells in chondrocyte co-cultures are independent of culture conditions and cell sources[J].Tissue Eng Part A,2012,18(15-16): 1542-1551.

[25]Zhang F,Su K,Fang Y,et al.A mixed co-culture of mesenchymal stem cells and transgenic chondrocytes in alginate hydrogel for cartilage tissue engineering[J].J Tissue Eng Regen Med,2012.

[26]Acharya C,Adesida A,Zajac P,et al.Enhanced chondrocyte proliferation and mesenchymal stromal cells chondrogenesis in coculture pellets mediate improved cartilage formation[J].J Cell Physiol, 2012,227(1):88-97.

[27]Xu T,Wu M,Feng J,et al.RhoA/Rho kinase signaling regulates transforming growth factor-β 1-induced chondrogenesis and actin organization of synovium-derived mesenchymal stem cells through interaction with the Smad pathway[J].Int J Mol Med,2012,30(5): 1119.

[28]Badylak SF,Taylor D,Uygun K.Whole-organ tissue engineering: decellularization and recellularization of three-dimensional matrix scaffolds[J].Annu Rev Biomed Eng,2011,13:27-53.

[29]Chang CH,Chen CC,Liao CH,et al.Human acellular cartilage matrix powders as a biological scaffold for cartilage tissue engineering with synovium-derived mesenchymal stem cells[J].J Biomed Mater ResA,2014,102(7):2248-2257.

[30]Chooi WH,Zhou R,Yeo SS,et al.Determination and Validation of Reference Gene Stability for qPCR Analysis in Polysaccharide Hydrogel-Based 3D Chondrocytes and Mesenchymal Stem Cell Cultural Models[J].Mol Biotechnol,2013,54(2):623-633.

[31]Shimaaya M,Muneta T,Ichinose S,et al.Magnesium enhances adherence and cartilage formation of synovial mesenchymal stem cells through integrins[J].Osteoarthritis Cartilage,2010,18(10): 1300-1309.

[32]Sart S,Tsai AC,Li Y,et al.Three-dimensional aggregates of mesenchymal stem cells:cllular mechanisms,biological properties,and applications[J].Tissue Eng Part B Rev,2014,20(5):365-380.

[33]Suzuki S,Muneta T,Tsuji K,et al.Properties and usefulness of aggregates of synovial mesenchymal stem cells as a source for cartilage regeneration[J].Arthritis Res Ther,2012,14(3):R136.

[34]Sekiya I,Muneta T,Koga H,et al.Articular cartilage regeneration with synovial mesenchymal stem cells[J].Clin calcium,2011,21 (6):879.

[35]Horie M,Driscoll MD,Sampson HW,et al.Implantation of allogenic synovial stem cells promotes meniscal regeneration in a rabbit meniscal defect model[J].J.Bone Joint Surg.Am,2012,94(8): 701-712.

[36]Vinardell T,Sheehy EJ,Buckley CT,et al.A comparison of the functionality and in vivo phenotypic stability of cartilaginous tissues engineered from different stem cell sources[J].Tissue Eng Part A, 2012,18(11-12):1161-1170.

Biological characteristics and application of synovium derived mesenchymal stem cells in cartilage tissue engineering.

YUAN Yang,WANG Si-han,GUO Xiao-kai,LIU Chang.
Department of Orthodontics,School of Stomatology,Jilin University,Changchun 130021,Jilin,CHINA

Besides the general multipotency in common with other MSCs,synovium-derived mesenchymal stem cells exhibit easy access to cell resources and higher ability of proliferation and superiority in chondrogenesis. Under appropriate culture conditions,SMSCs were induced to differentiate into chondrocyte,osteocyte,and adipocyte lineages.This provides a new MSC-based therapeutic strategy for the repair of cartilage injury.This article expands overview of the tissue origin,biological characteristics of SMSCs and application in cartilage tissue engineering.

Synovium-derived mesenchymal stem cells;Seed cell;Cartilage tissue engineering

R329.2+5

A

1003—6350（2015）02—0214—04

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.02.0075

2014-07-23)

袁 洋。E-mail：328354630@qq.com