PNAS：促进间充质干细胞形成软骨的新方法

软骨损伤很难修复。而且当人们衰老时，软骨细胞的健康和活力也随之下降。基于此，利用成年人软骨细胞进行修复的效果是非常低的。而干细胞仍然保持这种至关重要的修复能力，因此生物工程师们对找到利用病人自己的干细胞培养软骨的新方法充满兴趣。

近日，宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院（University of Pennsylvania）和香港中文大学和的研究人员找到了让成体干细胞产生最好软骨的合适环境。他们发现当将 MSCs 包被在水凝胶---模拟干细胞在自然条件下生长的一些环境条件的聚合物网络---中时，能够优先地诱导 MSCs 变成脂肪细胞样细胞或骨细胞样细胞。

培养新软骨的第一步就是诱导 MSCs 分化为软骨细胞，而这些软骨细胞产生由骨胶原和糖分子组成的海绵状基质来润滑关节。促进这种分化的一大挑战就是尽管成体软骨细胞在组织中的密度较低，但是实际的软骨形成始于靠得非常近的干细胞。

研究人员表示，对用于软骨组织工程的典型水凝胶而言，将干细胞在空间中分离开，因此它们丧失了初始的信号和相互作用。就在这时，研究人员开始想到钙粘蛋白，即让这些干细胞之间彼此相互作用的分子，可能发挥着重要作用，特别是在它们首先变成软骨细胞的时候。

为了模拟这种环境，研究人员使用一种模拟这些钙粘蛋白相互作用的肽分子，并让这些肽分子结合到用来包被 MSCs 的水凝胶上。

研究人员指出，尽管钙粘蛋白和软骨形成之间的直接关联性还没有被完全理解，但是人们已知道如果在软骨组织形成早期能够增强这些相互作用，那么就能够制造出更多的软骨，反之，如果人们阻断这些相互作用，那么就获得比较少的软骨。这种水凝胶所做的事情就是诱导 MSCs 认为它们附近有同伴。

为了测试这种模拟钙粘蛋白的肽分子的有效性，研究人员将 MSCs 包被在几种其他类型的水凝胶---普通的不含这种肽分子的水凝胶，含有序列杂乱的非功能性肽分子的水凝胶，含有这种肽分子和一种阻断钙粘蛋白相互作用的抗体的水凝胶---中。

在7天之后，包被在含有这种肽分子的水凝胶内的 MSCs 表达更多的软骨形成遗传标记物。

第二项实验涉及培养这些包被着 MSCs 的水凝胶4周的时间，这种时间足够允许 MSCs 开始产生软骨基质。这使得研究人员开展功能性测试，如测试它们的机械负荷性能。他们发现相对于其他的水凝胶，含这种肽分子的包被着 MSCs 的水凝胶更像天然的软骨那样能够发挥作用。

研究人员也对这些水凝胶进行切片，并针对II型骨胶原和硫酸软骨素对它们染色，其中这两种分子是软骨基质中的一部分。结果他们发现这些含有肽分子的包被着 MSCs 的水凝胶产生更多的表明这些基质形成的标记物。

研究人表示，这项研究成果强烈证实，这种钙粘蛋白信号能够改善人工合成水凝胶中的软骨形成反应。

相关研究论文刊登在了近期出版的《PNAS》杂志上。

Hydrogels that mimic developmentally relevant matrix and N-cadherin interactions enhance MSC chondrogenesis
Abstract
Methacrylated hyaluronic acid (HA) hydrogels provide a backbone polymer with which mesenchymal stem cells (MSCs) can interact through several cell surface receptors that are expressed by MSCs, including CD44 and CD168. Previous studies showed that this 3D hydrogel environment supports the chondrogenesis of MSCs, and here we demonstrate through functional blockade that these specific cell–material interactions play a role in this process. Beyond matrix interactions, cadherin molecules, a family of transmembrane glycoproteins, play a critical role in tissue development during embryogenesis, and N-cadherin is a key factor in mediating cell–cell interactions during mesenchymal condensation and chondrogenesis. In this study, we functionalized HA hydrogels with N-cadherin mimetic peptides and evaluated their role in regulating chondrogenesis and cartilage matrix deposition by encapsulated MSCs. Our results show that conjugation of cadherin peptides onto HA hydrogels promotes both early chondrogenesis of MSCs and cartilage-specific matrix production with culture, compared with unmodified controls or those with inclusion of a scrambled peptide domain. This enhanced chondrogenesis was abolished via treatment with N-cadherin–specific antibodies, confirming the contribution of these N-cadherin peptides to chondrogenesis. Subcutaneous implantation of MSC-seeded constructs also showed superior neocartilage formation in implants functionalized with N-cadherin mimetic peptides compared with controls. This study demonstrates the inherent biologic activity of HA-based hydrogels, as well as the promise of biofunctionalizing HA hydrogels to emulate the complexity of the natural cell microenvironment during embryogenesis, particularly in stem cell-based cartilage regeneration.