關節炎是中老年人群中非常常見的一種疾病，在人的一生中，患關節炎的概率高達 40%。
關節炎病因複雜，涉及遺傳因素、急性損傷以及慢性炎症等多種因素，加之它們所造成的關節軟骨損傷是一種不可逆的過程。所以醫學界至今並沒有適用於絕大多數關節炎患者的治療方法。
圖片來源：Nature Medicine
近年來，幹細胞療法的最新進展給諸如心臟病、神經退行性疾病等數種不可逆的病變帶來了治療的曙光。2020 年 8 月 17 日，來自史丹佛大學醫學院的 Charles K. F. Chan 博士帶領研究團隊在醫學頂級期刊 Nature Medicine 發表了 Articular cartilage regeneration by activated skeletal stem cells 的論文 (1)。該研究不僅報道了不久前被發現的骨骼幹細胞（Skeletal Stem Cell, SSC）在軟骨再生過程中的重要作用，更進一步將幹細胞療法的應用延伸到了關節軟骨再生與關節炎之中。
研究內容：
由於在之前的研究中，作者發現 SSC 在骨骼受傷後會被激活並幫助骨骼的再生，所以作者首先假設關節軟骨在關節炎中不可逆損傷與 SSC 的功能隨著年齡增長而退化有關。
圖片來源：Nature Medicine
他們透過對使用不同顏色標記不同幹細胞的「彩虹小鼠」（Rainbow Reporter Mice）進一步改造，讓這種小鼠關節軟骨中的骨骼幹細胞也得到了標記。透過對不同年齡段的小鼠關節軟骨進行分析後，作者發現小鼠中 SSC 的數目隨著年齡的增長而顯著減少。與此同時，隨著年齡的增長，這些 SSC 所在區域的蛋白聚糖 (Proteoglycan) 分泌也顯著降低，而蛋白聚糖的重要功能之一就是減少關節的磨損。
作者隨後對剛出生的小鼠和成年小鼠的軟骨中分離出的細胞進行了 FACS 分析，實驗結果再一次證明軟骨中的骨骼幹細胞和其下屬的細胞亞群在小鼠成年後顯著減少，而且他們擴增的能力也明顯降低。這些資料表明，隨著年齡的增長，能夠幫助軟骨再生的骨骼幹細胞在數量和功能上都出現了明顯的衰退。
圖片來源：Nature Medicine
為了評估 SSC 衰退的影響，研究團隊透過微骨折（Microfracture，MF）手術創傷了彩虹小鼠的軟骨表面，以此激活軟骨的再生。結果顯示，這些軟骨組織在受傷後都形成了新的纖維化軟骨結構，而且在這個過程中骨骼幹細胞中被細胞增殖標記物（EdU）所標記比例顯著升高，意味著軟骨的再生與軟骨原本存在的骨骼幹細胞可能有關。
圖片來源：Nature Medicine
為了排除血液循環引入 SSC 的可能，作者使用了聯體（Parabiont）小鼠模型。在 SSC 無 GFP 標記的小鼠和 SSC 被 GFP 標記的小鼠聯體並進行血液循環互通後，無 GFP 標記小鼠軟骨中並沒出現帶 GFP 標記的 SSC。這證明幫助軟骨再生的 SSC 主要來源於軟骨本身，而不是血液系統。
圖片來源：Nature Medicine
在證明骨骼幹細胞能夠在 MF 模型中幫助軟骨再生後，作者進一步結合了小鼠關節炎模型。關節炎小鼠在 MF 手術後出現了更加明顯的骨骼幹細胞增殖，這表明了 SSC 在關節炎導致的軟骨損傷和再生中可能起到關鍵性作用。
圖片來源：Nature Medicine
轉錄組分析進一步證明了微骨折可以激活成年小鼠的 SSC，並讓它們獲得類似於年輕小鼠的基因表達。為了驗證這一點，研究團隊將被 GFP 標記的未經歷過骨折的 SSC 與經歷過骨骼的 SSC 移植到了遭受過骨折的小鼠股骨中，並發現經歷過骨折的 SSC 表現出了更強的增殖和修復作用。 這表明被激活的 SSC 可能有更強的治療潛力。
由於此前實驗中 SSC 移植形成的只是纖維化軟骨，而不是真正的軟骨。作者還想要更進一步，讓 SSC 直接實現軟骨的產生。由於此前 BMP2 和 sVEGFR1 被發現在軟骨生成中起到的關鍵作用，所以研究團隊在進行 SSC 移植時同時加入了 BMP2 和 sVEGFR1，併成功實現了完整軟骨結構的生成。這些再生出來的軟骨不僅生化成分與未受傷軟骨相差無幾，其力學特性和表面結構也與後者非常相似。
圖片來源：Nature Medicine
最後，作者驗證了他們觀測到的現象是否在人體軟骨中也存在。
同小鼠中的現象一樣，成人軟骨中的 SSC 數量遠遠低於胚胎期的軟骨。將人的軟骨移植到免疫缺陷的小鼠之中後，作者發現成人軟骨不僅分泌更少的蛋白聚糖，它們的增殖能力也顯著低於胚胎期的軟骨。同時，作者對這些軟骨進行了 MF 手術，並發現同動物實驗結果一樣， MF 手術也能有效的激活 SSC。結合 BMP2 和 sVEGFR1 後，這些被激活的 SSC 能夠充分的實現軟骨的再生。這些資料表明， 透過微骨折激活 SSC 再與 BMP2 和 sVEGFR1 聯用是一種潛在的關節炎治療方法。
研究意義：
該研究不僅證明了 SSC 在軟骨再生中的重要作用，還是第一個透過骨骼中的 SSC 以及細胞命運控制實現有效且穩定軟骨再生的報道。與此同時，該研究還提示了透過微骨折手術激活 SSC 並與 BMP2 以及 VEGF 抑制分子一起治療關節炎的臨床價值。
更加值得注意的是，FDA 早已批准了 BMP2(Infuse) 和 VEGF 抗體（Avastin) 在其他疾病中的臨床使用，這將使得相關臨床試驗所需的時間被大大縮短。
延伸閱讀：
骨骼幹細胞的發現其實並不太久遠。
圖片來源：Cell
5 年前，該研究的共同通訊作者，來自史丹佛大學的 Michael T Longaker 團隊首次透過「彩虹小鼠」在小鼠體內發現了骨骼幹細胞的存在。相關研究與 2015 年以 Identification and Specification of the Mouse Skeletal Stem Cell 為題發表在 Cell 上 (2)。
圖片來源：Cell
2018 年，同一個研究團隊再次在 Cell 上發表了題為 Identification of the Human Skeletal Stem Cell 的研究 (3)，首次在人體內發現了骨骼幹細胞。本次研究的另一位通訊作者 Charles K. F. Chan 正是這兩項研究的第一作者。
在 Cell 的兩篇文章發表後，SSC 在骨折和關節炎的臨床應用被寄予了厚望，這項 Nature Medicine 的研究是 Charles K. F. Chan 成為助理教授後自己帶領團隊所發表的一篇具有重大臨床價值的文章。
骨骼幹細胞短短几年的發現史、巨大的臨床價值、井噴的頂刊論文以及迅速爬升的熱度讓人不禁想起了皮耶羅・安韋薩（Piero Anversa）的心臟幹細胞。在發表大量頂刊論文後，心臟幹細胞被證明不存在的事情也在去年塵埃落定。
那麼骨骼幹細胞也會是一場鬧劇嗎？研究的可信性相信很快會在後續的研究和臨床試驗中得到檢驗，總的來講我們對這項研究還是比較看好的，主要有兩個原因。
第一， 在心臟幹細胞醜聞中，真正將心臟幹細胞埋葬，證明其不存在的正是 Charles K. F. Chan 研究中所用的體內細胞標記技術，所以 Charles K. F. Chan 所用技術的可信度遠高於當初發現心臟幹細胞所用到的技術。
第二， 在經歷心臟幹細胞醜聞之後，學界對相關研究的審視也更加嚴格，這也是為什麼本次 Nature Medicine 中利用聯體小鼠排除其他幹細胞影響的原因。
我們也衷心希望相關技術能迅速用於臨床之中，讓無數關節炎患者受益。至於這項技術會不會淪為下一個心臟幹細胞事件呢？我們留待時間來檢驗——
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參考文獻：
1. Murphy MP, Longaker MT, Chan CKF., et al. Articular cartilage regeneration by activated skeletal stem cells. Nature Medicine 2020;
2. Chan CK, Longaker MT., et al. Identification and specification of the mouse skeletal stem cell. Cell 2015;160:285-298
3. Chan CKF, Longaker MT., et al. Identification of the Human Skeletal Stem Cell. Cell 2018;175:43-56.e21
題圖來源：站酷海洛 Plus
來源公眾號：丁香學術
