利用骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞構(gòu)建多組織膝關(guān)節(jié)器官芯片

關(guān)節(jié)疾病擁有非常龐大的患者群體，僅骨關(guān)節(jié)炎（OA）患者在全球范圍內(nèi)就有3.43億之多。關(guān)節(jié)疾病使患者行動力和靈活性受限，同時伴隨著不同程度的疼痛，嚴(yán)重降低病人生活質(zhì)量。隨著中國以及世界人口的老齡化及肥胖人群的增加，關(guān)節(jié)疾病所帶來的經(jīng)濟(jì)社會負(fù)擔(dān)將持續(xù)加大。

目前，包括OA在內(nèi)的很多關(guān)節(jié)疾病尚無有效的治療藥物。新藥研發(fā)面臨著超長研發(fā)周期、巨大研發(fā)成本和極低的成功率等挑戰(zhàn)，其背后的原因包括現(xiàn)有測試模型的固有局限（如動物和人之間的種間差異）、對于病因的認(rèn)知不足以及病人之間的個體化差異等。因此，建立具有臨床相關(guān)性及高通量篩選能力的精準(zhǔn)模型是藥物研發(fā)面臨的緊迫的任務(wù)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為解決以上問題，來自匹茲堡大學(xué)（University of Pittsburgh）的研究團(tuán)隊利用骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hBMSC），構(gòu)建了名為“miniJoint”的多組織膝關(guān)節(jié)器官芯片。該研究的相關(guān)成果以論文形式發(fā)表在Advanced Science。

膝關(guān)節(jié)器官芯片miniJoint的構(gòu)建流程

首先，研究人員收集了20名捐獻(xiàn)者的hBMSC并將其包覆在水凝膠支架中。研究者利用組織工程原理誘導(dǎo)hBMSC進(jìn)行21-28天的定向分化，獲得了具有膝關(guān)節(jié)軟骨-軟骨下骨（cartilage-subchondral bone）、滑膜（synovium）和臏下脂肪墊（IPFP）表型的三維組織（組織名稱分別為OC、SFT和AT）。為了在同一支架中獲得軟骨-軟骨下骨這一雙相組織，研究者利用3D打印制備了一個雙通道生物反應(yīng)器，對支架兩端的hBMSC使用不同的生長因子進(jìn)行刺激。經(jīng)過28天的動態(tài)三維培養(yǎng)，形成了緊密接觸、自然過渡、兩相可相互交流的OC組織。

隨后，研究者將各組織整合于3D打印的芯片腔體中，構(gòu)建多組織的miniJoint器官芯片。在miniJoint芯片中，OC的軟骨部分和AT、SFT共享“模擬關(guān)節(jié)滑液”的培養(yǎng)基，并以此共享培養(yǎng)基作為三種組織間相互交流的媒介。更為重要的，各組織在miniJoint芯片中能維持其各自表型與功能長達(dá)至少四周，顯示了該培養(yǎng)體系的獨特優(yōu)勢。

在miniJoint芯片中共培養(yǎng)4周后，OC、SFT和AT的表型和功能表征

為構(gòu)建關(guān)節(jié)炎模型，研究人員利用白介素1β（IL1β）對SFT進(jìn)行刺激以模擬滑膜炎。不同于目前常用的體外模型，軟骨組織并未直接接受IL1β刺激，這樣可以研究滑膜炎導(dǎo)致軟骨降解的過程。

miniJoint芯片中發(fā)炎關(guān)節(jié)模型的構(gòu)建和表征

經(jīng)過7天的誘導(dǎo)，SFT以及芯片中其余組織均觀測到病變。除了組織學(xué)染色、免疫組化/熒光，研究者也利用了RNA測序?qū)﹃P(guān)節(jié)炎指標(biāo)進(jìn)行分析，且將miniJoint中的軟骨組織與人體軟骨樣本、小鼠（常用于構(gòu)建OA動物模型）的軟骨組織進(jìn)行RNA測序數(shù)據(jù)的對比分析，證實了miniJoint具有很強(qiáng)的臨床相關(guān)性。同時，通過對“模擬關(guān)節(jié)滑液”成分的分析，也闡明了miniJoint在探索關(guān)節(jié)炎生物標(biāo)志物（biomarkers）的潛能。

來源于人與miniJoint的軟骨組織中共同的顯著富集通路

最后，研究人員利用miniJoint疾病模型測試了Naproxen、fibroblast growth factor 18（FGF-18）、sclerostin、SM04690和IL-1 receptor antagonist（IL-1RA）五種潛在的OA藥物，并探究了模擬“全身給藥”和“局部給藥（關(guān)節(jié)腔注射）”兩種給藥方式的可行性，證明了miniJoint在關(guān)節(jié)炎藥物開發(fā)中的巨大潛力。

目前，該團(tuán)隊在進(jìn)一步優(yōu)化miniJoint，包括引入其他的關(guān)節(jié)組織及模擬力學(xué)環(huán)境等。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/advs.202105909

審核編輯 ：李倩