来源：MIT News
新加坡 MIT 研究和技术联盟（SMART）旗下的个性化医疗制造关键分析（CAMP）跨学科研究团队与新加坡国立大学组织工程项目的研究人员合作，开发了一种新的方法，通过在间充质基质细胞（MSCs）扩增过程中加入抗坏血酸（维生素 C），提高了这些细胞生成软骨组织的能力。研究还发现，CAMP 开发的新型过程分析工具——微磁共振弛豫法（μMRR）可以作为一种快速、无标记的过程监测工具，用于评估MSC扩增的质量。
关节软骨是一种在关节中保护骨端的结缔组织，由于损伤、年龄增长或关节炎会发生退化，导致严重的关节疼痛和功能障碍。尤其是在像新加坡这样老龄化活跃的人口中，关节软骨退化问题日益严重，影响越来越多的人。目前，自体软骨细胞植入是唯一获得 FDA 批准的细胞疗法用于关节软骨损伤的治疗，但这种疗法成本高、耗时长且需要多次治疗。MSCs 作为一种具有良好安全性的移植候选细胞，被认为是很有前景的替代方案。然而，由于供体之间的差异、细胞扩增过程中的变异以及非标准化的MSC制造流程，MSC 的临床应用效果不稳定，限制了其使用。
MSCs 的异质性可能导致其生物行为和治疗效果的差异。为了获得足够数量的治疗性细胞进行移植，需要进行大规模 MSC 扩增，但这一过程可能会加剧细胞的异质性。因此，改进的流程对于减少细胞异质性、增加具有更高软骨生成潜力的供体细胞数量至关重要，以推动更有效且一致的 MSC 疗法发展。
在发表于《干细胞研究与治疗》科学期刊的论文“通过代谢调控提升MSC扩增和关节软骨修复的治疗潜力”中，CAMP 的研究人员详细介绍了他们的“启动策略”，通过调整细胞利用能量的方式来提升高质量 MSC 的扩增。研究结果表明，软骨生成潜力与氧化磷酸化（OXPHOS）之间存在积极的关联。氧化磷酸化是一种通过氧气还原生成三磷酸腺苷（ATP）的过程，而 ATP 是驱动和支持细胞内多种生物过程的能量来源。这表明调节 MSC 代谢是一种提升软骨生成潜力的有效策略。
借助 CAMP 开发的新型过程分析工具，研究人员在短期和长期细胞收获和重新接种中探索了代谢调控的潜力。为提升软骨生成潜力，他们调整了营养成分，包括葡萄糖、丙酮酸、谷氨酰胺和抗坏血酸（AA）。AA 被认为能够支持 OXPHOS，并在分化过程中——即未成熟细胞发育为具有特定功能的成熟细胞的过程中——对软骨生成潜力有积极影响，因此研究人员进一步探讨了它在MSC扩增过程中的效果。
在 MSC 扩增期间加入 AA 进行一个传代处理，并在启动分化前加入，发现能提高软骨生成分化，这是提升关节软骨修复质量的关键属性（CQA）。长期 AA 处理使 MSC 的产量增加了 300 多倍，增强了软骨生成潜力，同时减少了细胞异质性和细胞衰老（即细胞随着年龄增长停止分裂但未死亡的过程），与未处理细胞相比，AA处理的 MSC 在代谢上明显偏向 OXPHOS。这种代谢变化与 μMRR 测量结果相符，μMRR 帮助识别出可以用于 MSC 制造的新的 CQA，用于关节软骨修复。
研究还展示了 CAMP 开发的过程分析工具——微磁共振弛豫法（μMRR）作为监测 AA 补充扩增 MSC 的工具的潜力。μMRR 是一种台式设备，利用微观尺度的磁共振成像（MRI），最初用于无标记的疟疾诊断，因为疟疾中含有顺磁性血红素颗粒。在此研究中，μMRR 用于检测 MSC 的衰老。该方法快速、无标记，仅需少量细胞即可进行评估，这使 MSC 疗法生产可在闭环系统中进行——这种系统通过减少外界污染风险来保护药品，同时实现小规模批次的间歇监测。
SMART CAMP 高级博士后研究员、论文的第一作者 Ching Ann Tee 表示：“供体间差异、细胞内异质性以及细胞衰老一直是 MSC 作为关节软骨修复常规治疗的阻碍。我们的研究表明，在 MSC 扩增过程中补充 AA 可以克服这些瓶颈并提高 MSC 的软骨生成潜力。通过控制如 AA 补充等代谢条件，并结合 CAMP 的过程分析工具如 μMRR，可以显著提高细胞治疗产品的产量和质量。这一突破有助于使 MSC 疗法成为更有效、可行的治疗选择，同时为改进制造流程提供了标准。”
MIT 生物与生物工程教授、SMART CAMP 首席研究员、论文通讯作者 Laurie A. Boyer 教授补充道：“这种利用代谢调控提升 MSC 软骨生成潜力的策略，还可以推广到其他治疗用途，例如增强骨修复的成骨潜力或其他类型的干细胞。将我们的研究成果应用于 MSC 制造流程，将为骨关节炎和其他关节疾病患者带来重要进展，因为我们可以高效生产出大量高质量、功能稳定的 MSC，为更多患者提供治疗。”
该研究由 SMART 团队负责，并获得新加坡国家研究基金会的支持，通过其卓越科研和技术企业计划资助。
原文连接：
https://news.mit.edu/2024/smart-researchers-method-enhance-effectiveness-msc-therapy-cartilage-repair-1024