摘要背景：國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，體外模型是研究骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制和有效治療手段的重要工具，各種體外模型均有其優(yōu)缺點(diǎn)和相關(guān)應(yīng)用，但到目前為止還沒(méi)有一個(gè)理想的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢躁U述骨關(guān)節(jié)炎的所有特征。目的：綜述近年相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)各類骨關(guān)節(jié)炎體外模型的優(yōu)缺點(diǎn)及相關(guān)應(yīng)用進(jìn)展，為進(jìn)一步了解骨關(guān)節(jié)炎及研究治療方法提供一定幫助。方法：應(yīng)用計(jì)算機(jī)檢索2010-2021年P(guān)ubMed、中國(guó)知網(wǎng)、維普和萬(wàn)方等數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)文章，英文檢索詞：“Osteoarthritis，in vitro，model”;中文檢索詞：“骨關(guān)節(jié)炎、體外模型”等。選取相關(guān)性強(qiáng)、發(fā)表年限較新的合格文獻(xiàn)進(jìn)行綜述，最終納入63篇文章進(jìn)行綜述。結(jié)果與結(jié)論：①骨關(guān)節(jié)炎2D細(xì)胞培養(yǎng)模型易于構(gòu)建，也易于大規(guī)模生產(chǎn)，由于其缺乏典型的三維微觀結(jié)構(gòu)，缺少與周圍細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)的相互聯(lián)系，因此只能適應(yīng)于細(xì)胞水平研究。②外植體模型和3D細(xì)胞培養(yǎng)提供了與人體生理?xiàng)l件接近的內(nèi)環(huán)境，不僅適用于研究細(xì)胞因子刺激機(jī)制，還可以用于研究骨關(guān)節(jié)物理?yè)p傷和生物力學(xué)對(duì)組織的影響，因此可以更好地研究骨關(guān)節(jié)炎的分子機(jī)制，并制定治療措施，但從組織體積和維持細(xì)胞活力的角度來(lái)看，這些模型難以量產(chǎn)。③此外，文章還討論了3D生物制造模型、類器官、芯片器官模型等先進(jìn)組織工程模型，其中3D生物打印技術(shù)和生物反應(yīng)器模型在精確控制組織結(jié)構(gòu)、輸送生物活性分子、動(dòng)態(tài)培養(yǎng)細(xì)胞等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但目前仍需進(jìn)一步完善及創(chuàng)新。④總之，與2D細(xì)胞培養(yǎng)模型相比，體外3D組織模型更適合應(yīng)用于目前的骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)研究及其個(gè)體化治療，未來(lái)希望研究者們將器官芯片技術(shù)、3D生物打印技術(shù)、生物反應(yīng)器這些新興技術(shù)進(jìn)行整合，最終為骨關(guān)節(jié)炎治療和藥物測(cè)試開(kāi)發(fā)一個(gè)更合適的平臺(tái)。

　　關(guān)鍵詞：體外模型;骨關(guān)節(jié)炎;二維;三維;組織外植體;治療;研究進(jìn)展;成本;綜述

　　引言 Introduction

　　骨關(guān)節(jié)炎是一種高度流行的風(fēng)濕性肌肉骨骼疾病，2017 年全球約有 3.03 億人受到影響 [1]，作為關(guān)節(jié)炎最常見(jiàn)的形式，也是老年人群致殘的主要原因之一，它對(duì)患者個(gè)體和社會(huì)造成了相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。骨關(guān)節(jié)炎的主要特點(diǎn)是關(guān)節(jié)軟骨的退行性改變、細(xì)胞外基質(zhì)的減少、軟骨下骨的改變和滑膜的炎癥反應(yīng)等 [2]，其存在各種的危險(xiǎn)因素，包括高齡、肥胖、性別 ( 女性高患病率 )、關(guān)節(jié)創(chuàng)傷以及遺傳易感性等 [3]，它的發(fā)病機(jī)制目前尚不清楚，現(xiàn)有的治療旨在減輕疼痛、緩解癥狀以及改善關(guān)節(jié)功能 [4]。

　　由于倫理和監(jiān)管等問(wèn)題，人類關(guān)節(jié)組織的采集較為困難，尤其骨關(guān)節(jié)炎早期病理階段的組織提取幾乎不可能。標(biāo)本基本在接受關(guān)節(jié)置換手術(shù)的患者中收集，但這些大多為創(chuàng)傷后及進(jìn)展為骨關(guān)節(jié)炎的晚期病理階段的患者。眾所周知，各種自發(fā)或誘導(dǎo) ( 手術(shù)或化學(xué) ) 產(chǎn)生的骨關(guān)節(jié)炎動(dòng)物模型已經(jīng)被使用了很多年，它是闡明參與關(guān)節(jié)生理學(xué)和病理生理學(xué)的分子機(jī)制和途徑，以及尋找更可靠的治療方法的基石，但其存在一定的局限性，如實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與人類壽命的差異，解剖學(xué)、生理學(xué)和生物力學(xué)特征的差異，較長(zhǎng)的造模時(shí)間，較高的成本及動(dòng)物相關(guān)倫理問(wèn)題等 [5]。組織工程的發(fā)展在克服現(xiàn)有模型的局限性方面顯示出了巨大的科學(xué)潛力，其中體外模型有助于真實(shí)地再現(xiàn)組織和器官，體外模型的發(fā)展又可反過(guò)來(lái)影響治療藥物的初步測(cè)試和篩選以及研究疾病發(fā)生和發(fā)展的分子生物學(xué)機(jī)制。

　　骨關(guān)節(jié)炎體外模型作為動(dòng)物模型的優(yōu)秀替代品可以大幅減少對(duì)動(dòng)物模型的依賴，它可以嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)，成本更低、時(shí)間更短，還可以產(chǎn)生更多的可重復(fù)數(shù)據(jù) [6]。目前體外細(xì)胞模型可分為：二維 (Two-dimensional，2D)( 單層培養(yǎng)或共培養(yǎng) ) 細(xì)胞模型、三維 (three-dimensional，3D)( 含或不含支架 ) 細(xì)胞模型、組織外植體和生物反應(yīng)器培養(yǎng)模型等。每個(gè)模型都具有其復(fù)雜的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和不同的應(yīng)用，但相關(guān)的文獻(xiàn)中暫未發(fā)現(xiàn)單一的體外細(xì)胞模型是骨關(guān)節(jié)炎研究的金標(biāo)準(zhǔn)，因此，適宜的體外模型的選擇和建立是目前亟待解決的重要問(wèn)題。文章討論了不同的體外系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用，總結(jié)了該領(lǐng)域的最新進(jìn)展，將重點(diǎn)放在利用組織工程原理在體外三維模型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及它們的優(yōu)缺點(diǎn)上，以期為骨關(guān)節(jié)炎的研究及治療提供新的思路和方向。

　　1 資料和方法 Data and methods

　　1.1 資料來(lái)源

　　1.1.1 檢索人及檢索時(shí)間 由第一作者及通訊作者于 2021 年進(jìn)行檢索。

　　1.1.2 檢索文獻(xiàn)時(shí)限 2010-2021 年。

　　1.1.3 檢索數(shù)據(jù)庫(kù) 檢索 PubMed、中國(guó)知網(wǎng)、維普和萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　1.1.4 檢索詞 英文檢索詞：“Osteoarthritis，in vitro，model”;中文檢索詞：“骨關(guān)節(jié)炎、體外模型” 等。

　　1.1.5 檢索文獻(xiàn)類型 研究原著、綜述、述評(píng)、經(jīng)驗(yàn)交流、病例報(bào)告和薈萃分析等。

　　1.1.6 手工檢索情況 閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，手工檢索其中所附的參考文獻(xiàn)。

　　1.1.7 檢索策略 以 PubMed 數(shù)據(jù)庫(kù)檢索策略為例。

　　1.1.8 檢索文獻(xiàn)量

　　初步檢索到 1 970 篇。1.2 入組標(biāo)準(zhǔn)1.2.1 納入標(biāo)準(zhǔn) ①入選文獻(xiàn)內(nèi)容與骨關(guān)節(jié)炎、體外模型等具有高度相關(guān)性;②為知名權(quán)威雜志發(fā)表的期刊論文和學(xué)位論文;③文獻(xiàn)發(fā)表年限較近，邏輯性強(qiáng)，觀點(diǎn)鮮明。

　　1.2.2 排除標(biāo)準(zhǔn) ①不能獲取全文的文獻(xiàn);②重復(fù)性研究。

　　1.3 文獻(xiàn)質(zhì)量評(píng)估 經(jīng)閱讀文獻(xiàn)摘要，評(píng)估文獻(xiàn)的相關(guān)性、時(shí)效性、可信性，篩選后對(duì)符合納入標(biāo)準(zhǔn)的 63 篇文獻(xiàn)進(jìn)行綜述。文獻(xiàn)檢索流程圖。

　　1.4 數(shù)據(jù)的提取 從計(jì)算機(jī)初檢得到的文獻(xiàn)中，閱讀標(biāo)題和摘要進(jìn)行初篩，排除重復(fù)報(bào)道及文獻(xiàn)內(nèi)容與骨關(guān)節(jié)炎體外模型不相關(guān)的內(nèi)容。

　　2 結(jié)果 Results

　　2.1 骨關(guān)節(jié)炎的體外模型

　　根據(jù)細(xì)胞培養(yǎng)的平臺(tái)及其與細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用，體外模型可以分為 2D 培養(yǎng) ( 單層或共培養(yǎng) )，文章通過(guò)檢索并整理相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)骨關(guān)節(jié)炎體外模型的研究時(shí)間脈絡(luò) [7-13]。

　　2.1.1 二維 (2D) 細(xì)胞模型

　　2D 細(xì)胞模型可分為單層培養(yǎng) ( 單個(gè)細(xì)胞系培養(yǎng))和共培養(yǎng)(兩個(gè)或更多細(xì)胞系在單層中一起培養(yǎng))。單層培養(yǎng)：?jiǎn)螌蛹?xì)胞培養(yǎng)是一種成熟、經(jīng)濟(jì)有效的方法，允許使用單一細(xì)胞來(lái)源進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)治療，并允許嚴(yán)格控制研究條件，可以獲得相對(duì)快速、可靠和高產(chǎn)量的結(jié)果。細(xì)胞來(lái)源可以是從老鼠、牛到人類不等，可以是永生化細(xì)胞系或從動(dòng)物或人供體關(guān)節(jié)組織分離的原代細(xì)胞。組織工程中使用的大多數(shù)人體細(xì)胞是從患者身上分離出來(lái)的成體原代細(xì)胞。但成體原代細(xì)胞壽命有限，增殖率低，分離過(guò)程復(fù)雜。單層培養(yǎng)最常用的細(xì)胞系有：RAW 264.7 巨噬細(xì)胞、人原代滑膜細(xì)胞和人關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞等，不同的細(xì)胞系分泌不同的因子或?qū)��?xì)胞因子刺激的反應(yīng)不同。

　　有研究發(fā)現(xiàn)單層模型 ( 尤其是人類細(xì)胞系 ) 直接與細(xì)胞靶點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，可在局部用藥案例中用于細(xì)胞毒性和增殖的測(cè)試 [14];細(xì)胞因子刺激方面，如白細(xì)胞介素 1β 通過(guò)提高基質(zhì)金屬蛋白酶、透明質(zhì)酸酶和聚糖酶來(lái)對(duì)關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行酶降解，以誘導(dǎo)骨關(guān)節(jié)炎表型，從而可以篩選出軟骨保護(hù)化合物來(lái)減弱關(guān)節(jié)軟骨降解中所涉及的分解代謝因子 ( 如白細(xì)胞介素 1β、腫瘤壞死因子 α 和一氧化氮 ) 等 [15]。有研究用白細(xì)胞介素 1β 對(duì)軟骨細(xì)胞進(jìn)行負(fù)性誘導(dǎo)，并給予細(xì)胞黃檀糖苷作為聯(lián)合治療，證明了活性成分黃檀糖苷可阻止白細(xì)胞介素 1β誘導(dǎo)的效應(yīng) [16]。單層培養(yǎng)模型可用于對(duì)單個(gè)信號(hào)通路的研究，如某新型抑制劑對(duì) Wnt/β-catenin 信號(hào)通路的研究發(fā)現(xiàn) Wnt/β-catenin 通路在軟骨形成和保護(hù)中具有關(guān)鍵作用 [17];有研究用不同劑量的大黃素和白細(xì)胞介素 1β 處理大鼠軟骨細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大黃素可以通過(guò)抑制 ERK 和 wnt/β-catenin 通路以及下調(diào)一系列炎癥遞質(zhì)在軟骨細(xì)胞中的表達(dá)，促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖 [18]。

　　單層細(xì)胞培養(yǎng)很容易被轉(zhuǎn)染來(lái)操縱基因和蛋白質(zhì)的表達(dá)，如一項(xiàng)對(duì)白細(xì)胞介素 1微小核糖核酸 / 腫瘤壞死因子 β 刺激的人原代軟骨細(xì)胞進(jìn)行的蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)補(bǔ)體級(jí)聯(lián)蛋白、核轉(zhuǎn)錄因子 κB 途徑的介質(zhì)和幾種自噬調(diào)節(jié)因子可能在骨關(guān)節(jié)炎的病理中起重要作用 [28]。原代細(xì)胞或永生化細(xì)胞系在玻璃或聚苯乙烯塑料瓶中的平面上培養(yǎng)使得細(xì)胞可以在等量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生長(zhǎng)因子下發(fā)育和增殖。

　　然而，由于缺乏組織模擬特性，研究細(xì)胞 - 細(xì)胞和細(xì)胞 -細(xì)胞外基質(zhì)相互作用的潛力有限，如實(shí)際的軟骨組織需要三維細(xì)胞生長(zhǎng)，與細(xì)胞外基質(zhì)相互作用，在少量傳代后，當(dāng)細(xì)胞表型和形態(tài)從正交形狀改變?yōu)榧?xì)長(zhǎng)形狀，類似成纖維細(xì)胞樣軟骨細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞就會(huì)發(fā)生去分化 [28]。眾所周知，這種表型產(chǎn)生Ⅰ型膠原纖維，而不是與關(guān)節(jié)軟骨一致的Ⅱ型膠原纖維，因此使用單層模型來(lái)評(píng)估Ⅱ型膠原和骨膠蛋白定量軟骨生長(zhǎng)時(shí)比較困難。不僅如此，使用這些模型來(lái)研究承重和機(jī)械實(shí)驗(yàn)也較為困難 [20]。如上段所述，原代細(xì)胞培養(yǎng)較使用細(xì)胞系昂貴，源材料難以獲得，且在它們經(jīng)歷去分化和失去其獨(dú)特表型之前傳代的頻率有限。

　　永生化軟骨細(xì)胞與原代細(xì)胞相比，細(xì)胞外基質(zhì)成分的分泌卻顯著減少[20]。雖然細(xì)胞系的細(xì)胞材料來(lái)源限制少得多，但是它們的永生化性質(zhì)使細(xì)胞避免了衰老。該段所述各點(diǎn)都降低了單層模型作為真實(shí)細(xì)胞模型的可靠性。共培養(yǎng)：共培養(yǎng)是指在單層細(xì)胞培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，將 2 種及以上的細(xì)胞共同培養(yǎng)，是一種改進(jìn)細(xì)胞間關(guān)系的研究方法，可以使用跨孔板等模型同時(shí)進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)，并可生成關(guān)于病理機(jī)制的大量數(shù)據(jù)。跨孔板可將可溶性因子分泌到周圍介質(zhì)中，用于研究細(xì)胞與細(xì)胞之間的相互作用，如當(dāng)軟骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞與脂肪來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞一起共培養(yǎng)時(shí)，促炎細(xì)胞因子包括白細(xì)胞介素 1β、白細(xì)胞介素 6、白細(xì)胞介素 8 和腫瘤壞死因子α 的表達(dá)顯著降低 [20]，細(xì)胞間通過(guò)細(xì)胞間鈣和旁分泌信號(hào)發(fā)生交互維持關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，由于保存了這些細(xì)胞間信號(hào)通路，關(guān)節(jié)軟骨中抗炎或軟骨保護(hù)分子的作用評(píng)估的準(zhǔn)確性更高 [21]。此外，軟骨細(xì)胞和滑液之間的相互作用確保了生長(zhǎng)因子、調(diào)節(jié)肽和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在它們之間的流動(dòng);損傷軟骨與滑膜共培養(yǎng)時(shí)，對(duì)滑膜細(xì)胞產(chǎn)生保護(hù)作用，如減少局灶性細(xì)胞丟失和軟骨細(xì)胞簇形成 [22]。

　　軟骨細(xì)胞培養(yǎng)模型支持軟骨細(xì)胞和軟骨下成骨細(xì)胞之間相互作用的研究，如與成骨細(xì)胞孵育的軟骨細(xì)胞通過(guò)旁分泌信號(hào)幫助維持細(xì)胞生理和表型，這是研究軟骨保護(hù) ( 減緩軟骨降解 ) 在骨重建中的作用的一個(gè)有效模型 [23]。雖然同時(shí)培養(yǎng)不同類型的細(xì)胞在維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和表型方面有優(yōu)勢(shì)，但是也具有類似單層培養(yǎng)的一些缺點(diǎn)：平面培養(yǎng)和缺乏生長(zhǎng)結(jié)構(gòu);維護(hù)不同的多孔環(huán)境成本較高;不能準(zhǔn)確地模擬生理?xiàng)l件，產(chǎn)生有限的細(xì)胞外基質(zhì)樣環(huán)境，從而導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)的改變 [24]。此外，不同類型的細(xì)胞需要不同的培養(yǎng)條件，如果它們一起培養(yǎng)，就會(huì)相互受到影響，如骨關(guān)節(jié)炎成骨細(xì)胞與健康藻酸鹽珠包埋軟骨細(xì)胞的共培養(yǎng)導(dǎo)致向軟骨細(xì)胞肥大和基質(zhì)礦化的表型轉(zhuǎn)變，這在用白細(xì)胞介素 1、白細(xì)胞介素 6 或抑瘤素 -M 刺激的健康成骨細(xì)胞中不會(huì)發(fā)生，進(jìn)一步證明了人工刺激細(xì)胞的局限性和自然患病細(xì)胞的表型差異 [25]。

　　2.1.2 三維 (3D) 細(xì)胞模型

　　此模型保留了 2D 細(xì)胞模型的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提供了與生理?xiàng)l件更相似的可定制環(huán)境，能夠維持細(xì)胞的表型 [26-27]。進(jìn)而能夠獨(dú)立識(shí)別和調(diào)節(jié)導(dǎo)致疾病發(fā)生和進(jìn)展的細(xì)胞和分子因素，研究它們?cè)谔囟�疾病發(fā)展中的作用，從而有助于進(jìn)一步研究組織生理學(xué)和病理生理學(xué)。3D 細(xì)胞模型可分為無(wú)支架模型 ( 細(xì)胞生長(zhǎng)在顆粒中 ) 和有支架模型 ( 細(xì)胞生長(zhǎng)在外部平臺(tái)中 )。無(wú)支架的三維細(xì)胞模型：無(wú)支架的三維細(xì)胞培養(yǎng)是指細(xì)胞通過(guò)沉淀法、懸滴法或攪拌法等在懸浮液中自發(fā)聚集形成顆粒。它不受支架性質(zhì)的影響，較其他 3D 培養(yǎng)更穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)，它可以維持細(xì)胞在各個(gè)維度的生長(zhǎng)和細(xì)胞外基質(zhì)的合成。細(xì)胞可以在錐形管或多孔板中一起離心，也可以使用生物反應(yīng)器在攪拌下培養(yǎng)。誘導(dǎo)細(xì)胞聚集形成軟骨組織樣顆粒后，經(jīng)過(guò)特定的培養(yǎng)時(shí)間，顆粒大小可達(dá) 5 mm[28]。這些顆粒可以模擬整個(gè)關(guān)節(jié)組織，為細(xì)胞到細(xì)胞和細(xì)胞到細(xì)胞外基質(zhì)的關(guān)系提供深入的了解。它可被用來(lái)研究體外軟骨細(xì)胞再分化和骨髓干細(xì)胞分化。

　　如，有研究報(bào)道，關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和髕下脂肪墊衍生的間充質(zhì)干細(xì)胞與殼聚糖 / 透明質(zhì)酸納米顆粒的顆粒共培養(yǎng)促進(jìn)軟骨細(xì)胞分化，同時(shí)抑制軟骨細(xì)胞的增殖，防止間充質(zhì)干細(xì)胞肥大 [29]。還有研究利用骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞進(jìn)行軟骨形成顆粒培養(yǎng)，表明含有成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子 2 的培養(yǎng)基可能有助于創(chuàng)建穩(wěn)定可靠的無(wú)支架軟骨樣細(xì)胞片 [30]。3D 顆粒還可以評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)內(nèi)給藥系統(tǒng)的應(yīng)用效果，其通過(guò)Ⅱ型膠原、聚集蛋白聚糖和基質(zhì)金屬蛋白酶的糖胺聚糖含量定量和基因表達(dá)來(lái)評(píng)估白細(xì)胞介素 1β 刺激后的軟骨形成和軟骨保護(hù)作用 [31]。使用這種體外培養(yǎng)方法時(shí)必須考慮如下缺點(diǎn)：培養(yǎng)基中添加了大量的生長(zhǎng)因子和軟骨穩(wěn)定劑，較單層培養(yǎng)成本更高;顆粒的生存期很短，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)難以穿透顆粒，導(dǎo)致其核心細(xì)胞死亡。

　　培養(yǎng)在顆粒中的細(xì)胞增殖能力大幅下降，顆粒中心的細(xì)胞可能被剝奪營(yíng)養(yǎng)和氧氣，雖可用來(lái)維持非肥大軟骨細(xì)胞，但是可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，而且已經(jīng)有研究表明了低氧會(huì)減少骨形成[20]。懸掛式細(xì)胞培養(yǎng)是一種顆粒形成技術(shù)，將細(xì)胞制粒后在 2D表面上以倒置的方式培養(yǎng)，重力幫助細(xì)胞保持懸浮狀態(tài)，可減少極化的機(jī)會(huì)。與單層和典型的顆粒培養(yǎng)方式相比，促進(jìn)了體內(nèi)類圓形的形態(tài)，同時(shí)性別決定因子同源盒 9 信使核糖核酸水平增加。還可誘導(dǎo)蛋白多糖 4、信使核糖核酸及其相關(guān)的蛋白潤(rùn)滑素表達(dá)上調(diào)，可為健康的關(guān)節(jié)間隙中提供潤(rùn)滑 [45]。

　　帶支架的三維細(xì)胞模型：在工程化的體外模型中，3D 組織支架應(yīng)在體外精細(xì)地模仿細(xì)胞外基質(zhì)框架，讓細(xì)胞像在體內(nèi)一樣進(jìn)行黏附、擴(kuò)散、增殖、分化、成熟和產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)等行為。它可以在強(qiáng)度、相互連接的孔隙率、彈性、生物化學(xué)和生物功能方面進(jìn)行修改，以更好地模擬天然組織特異性微結(jié)構(gòu) [33]。這使其成為骨關(guān)節(jié)炎中負(fù)載和承重的良好模型。用于制造支架的生物材料可以是天然的或人造的，支架可大致分為水凝膠和固態(tài)支架。

　　最常用的支架是水凝膠，因?yàn)槠浜�水量高，并且具有廣泛的機(jī)械和物理化學(xué)特性，能夠更好地模擬細(xì)胞外基質(zhì)。從海藻酸鹽、明膠、殼聚糖和透明質(zhì)酸等材料中提取的生物水凝膠可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞的存活和增殖，以及Ⅱ型膠原、聚集素和性別決定因子同源盒 9 的表達(dá)，這些標(biāo)記物在單層培養(yǎng)中通常會(huì)減少 [34-35]。生物水凝膠還能夠支持軟骨細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生，以及成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和礦化，有利于研究骨軟骨界面的活性 [36]。然而生物水凝膠可能會(huì)因生產(chǎn)批次不同而性能不同。

　　合成水凝膠具有更大的靈活性和化學(xué)修飾可調(diào)節(jié)性，且與生物水凝膠一樣具有組織培養(yǎng)所需要的特性，研究表明，合成水凝膠 ( 如衍生自聚乙二醇的水凝膠 ) 可塑性好，穩(wěn)定性高，如，它能夠集成到機(jī)械負(fù)荷系統(tǒng)中，該系統(tǒng)能夠引導(dǎo)人類間充質(zhì)干細(xì)胞分化為關(guān)節(jié)軟骨、鈣化軟骨和細(xì)胞外基質(zhì)組織 [37]，而且它來(lái)源較廣，降低了其生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生變化的可能性 [38]。相對(duì)于 2D 模型，合成水凝膠可以促進(jìn)軟骨形成、增加關(guān)鍵軟骨細(xì)胞標(biāo)志物 ( 如Ⅱ型膠原 ) 和非膠原蛋白 ( 如骨鈣素 ) 的表達(dá) [39]。合成水凝膠也可以通過(guò)化學(xué)修飾進(jìn)行微調(diào)，如將軟骨形成分子引入水凝膠包埋細(xì)胞，促進(jìn)軟骨生成的生物素轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子 β3，以及Ⅱ型膠原和黏多糖表達(dá) [40]。利用合成水凝膠進(jìn)行軟骨修復(fù)的研究較多，如有人開(kāi)發(fā)的骨關(guān)節(jié)炎藻酸鹽及絲 /藻酸鹽基支架能夠保持軟骨細(xì)胞的功能和代謝活性，有利于后續(xù)軟骨疾病抗炎藥物的篩選 [41]。

　　有研究證實(shí)熱可逆凝膠化聚合物支架為軟骨組織的生長(zhǎng)提供了合適的環(huán)境，使骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞能夠以最佳水平分泌并保留透明質(zhì)酸，可作為體外培養(yǎng)的支架材料 [42];還有研究報(bào)告了一種空的自組裝透明質(zhì)酸納米顆粒，在體外對(duì)透明質(zhì)酸酶消化具有抵抗力，對(duì)原代關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中的分解代謝基因表達(dá)具有減弱作用，可以作為骨關(guān)節(jié)炎的潛在治療劑 [43];此外，有人開(kāi)發(fā)了用于骨軟骨組織再生的雙相支架，它的組織特異性差異特征支持原代軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖，并有利于新組織在其各自階段形成，具有明顯的界面區(qū)域 [44]。水凝膠 ( 合成或生物 ) 的性質(zhì)和黏度很重要，將對(duì)細(xì)胞反應(yīng)產(chǎn)生影響，如生物過(guò)程本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)的，而大多數(shù)體外模型是靜態(tài)的，這需要通過(guò)使用具有時(shí)變特性的支架來(lái)模擬疾病進(jìn)展的動(dòng)態(tài)。有研究設(shè)計(jì)了一種水凝膠，通過(guò)引導(dǎo)其交聯(lián)反應(yīng)來(lái)呈現(xiàn)細(xì)胞隨時(shí)間變化對(duì)動(dòng)態(tài)變硬的響應(yīng) [45]。高黏度可能在培養(yǎng)的細(xì)胞或組織中引起閉塞效應(yīng)，產(chǎn)生缺氧現(xiàn)象，從而降低其生存能力分?jǐn)?shù)[46]。

　　水凝膠的生物相容性和無(wú)害性也是重要的特征。目前由可生物降解的聚合物組成的預(yù)制支架較受青睞，因?yàn)槠渖�物相容性允許輕松地集成到生物系統(tǒng)中，例如使用聚己內(nèi)酯應(yīng)用在外科縫線和植入物中;它還具有低熔點(diǎn)，可提供理想的熱塑性能，便于 3D 打印;其黏彈性也有利于細(xì)胞培養(yǎng)。然而，聚合物如聚己內(nèi)酯是非骨誘導(dǎo)性的，最近的研究已經(jīng)將骨誘導(dǎo)和機(jī)械支持分子 ( 如羥基磷灰石和聚富馬酸丙烯酯 ) 添加進(jìn)該聚合物，聚己內(nèi)酯 / 羥基磷灰石 / 聚富馬酸丙烯酯支架可促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨誘導(dǎo)，增加鈣沉積水平和 Runt 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子 2表達(dá)，這標(biāo)志了成骨細(xì)胞的分化，而且其不具有細(xì)胞毒性 [47]。

　　水凝膠提供了適合體外建模的材料，但這些水凝膠的復(fù)合部分與天然細(xì)胞外基質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的材料不同，這可能會(huì)影響細(xì)胞的行為。此外，水凝膠含有很大的水成分，不適合模擬各種環(huán)境，如適合關(guān)節(jié)軟骨但不適合體內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)含水量非常低的軟骨下骨。因此，這種支架中成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)不能夠準(zhǔn)確地模擬體內(nèi)環(huán)境。帶支架的 3D 細(xì)胞模型成本高昂，難以維護(hù)且難以標(biāo)準(zhǔn)化，細(xì)胞增殖、細(xì)胞遷移通常較慢，對(duì)其研究仍需要進(jìn)一步的工作來(lái)確定其穩(wěn)定性和可靠性。

　　2.1.3 外植體模型

　　外植體可被認(rèn)為是最準(zhǔn)確的骨關(guān)節(jié)炎體外模型，因?yàn)橐浦材Ｐ椭苯觼?lái)源于體內(nèi)組織 ( 它們的來(lái)源可以是動(dòng)物和人類 )，整個(gè)組織保持其形態(tài)和功能，并在其 3D 環(huán)境中維持細(xì)胞，可以幫助研究者們更好地了解細(xì)胞在其自然 3D 環(huán)境中的行為。可用于研究軟骨，軟骨下骨和滑膜等組織在關(guān)節(jié)炎中的作用，還可研究細(xì)胞因子、滲透壓、物理?yè)p傷和生物應(yīng)力對(duì)組織的影響。組織外植體模型可包含單個(gè)關(guān)節(jié)組織或骨軟骨外植體或與滑膜或軟骨下骨組織共培養(yǎng)的軟骨外植體等。與骨軟骨組織相比，骨外植體在受到脂多糖攻擊時(shí)分泌的炎癥遞質(zhì)水平增加，這表明骨軟骨組織內(nèi)的不同細(xì)胞可以相互影響 [48]。

　　用白細(xì)胞介素 1β 攻擊的軟骨外植體產(chǎn)生的腫瘤壞死因子 α 水平高于對(duì)照組，而骨軟骨外植體的腫瘤壞死因子 α 分泌水平?jīng)]有變化，這表明骨或滑膜的存在可能會(huì)降低腫瘤壞死因子 α 的表達(dá)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了在骨關(guān)節(jié)炎病理生理學(xué)分析中考慮所有關(guān)節(jié)組織的必要性 [49];有研究開(kāi)發(fā)了一種由軟骨和骨骼 2 個(gè)分離的介質(zhì)室組成的新型體外骨軟骨培養(yǎng)模型，它允許延長(zhǎng)骨軟骨外植體的培養(yǎng)時(shí)間，同時(shí)保持軟骨的結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和組織含量至少 56 d，這種模型可用于研究臨床相關(guān)的軟骨治療或軟骨再生機(jī)制 [50]。外植體模型仍存在必須解決的問(wèn)題。

　　如培養(yǎng)中組織的維護(hù)費(fèi)用昂貴且難以控制，溫度、pH 值、濕度、培養(yǎng)基和補(bǔ)充物 ( 如胰島素加光照 ) 等條件對(duì)保持外植體的活力至關(guān)重要;組織手術(shù)邊緣的細(xì)胞可能死亡而影響分析;從組織提取中可能會(huì)產(chǎn)生分子改變;從每個(gè)供體分離的外植體數(shù)量有限，不同的來(lái)源可能會(huì)引起不同的反應(yīng)，很難實(shí)現(xiàn)可行的復(fù)制 [49]。因移植的組織是在人工環(huán)境中培養(yǎng)的，對(duì)手術(shù)切除后的機(jī)械效應(yīng)或血管生成效應(yīng)的研究有待完善。骨關(guān)節(jié)炎的分子變化通常只會(huì)在中晚期導(dǎo)致實(shí)際的身體癥狀，但采集的組織通常是健康樣本，不具有病理性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中維持細(xì)胞和組織長(zhǎng)期存活是一個(gè)挑戰(zhàn)。有研究發(fā)現(xiàn)，生物反應(yīng)器或組織模擬聚合物有助于使骨關(guān)節(jié)炎的狀況維持稍長(zhǎng)的時(shí)間 [51]。

　　2.1.4 生物反應(yīng)器模型 生物反應(yīng)器的引入提高了細(xì)胞活力并開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)期的體外培養(yǎng)模型，該模型可將主要組織的共培養(yǎng)物與誘導(dǎo)骨關(guān)節(jié)炎的物理化學(xué)因素相結(jié)合，研究特定條件下不同細(xì)胞的相互作用和機(jī)制。生物反應(yīng)器是允許在受控環(huán)境下動(dòng)態(tài)培養(yǎng)細(xì)胞的工具。動(dòng)態(tài)培養(yǎng)使得細(xì)胞在基質(zhì)中均勻分布，有利于細(xì)胞間相互作用;還可為細(xì)胞提供機(jī)械刺激，增加細(xì)胞增殖并減少壞死組織形成的機(jī)會(huì)。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種生物反應(yīng)器，如灌注生物反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)壁容器、旋轉(zhuǎn)燒瓶和壓縮系統(tǒng)，將其放置在三維支架環(huán)境中以幫助創(chuàng)建功能性組織 [52]。有研究者開(kāi)發(fā)了一種生物反應(yīng)器，骨軟骨單元中的軟骨和骨被單獨(dú)隔開(kāi)，可以獨(dú)立控制，允許特定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和微環(huán)境用于骨軟骨組織的發(fā)育和維持 [53]。還有人設(shè)計(jì)了計(jì)算導(dǎo)向的生物反應(yīng)器，可以增加反應(yīng)器體中細(xì)胞的灌注 [54]。然而，模型還需進(jìn)一步驗(yàn)證完善以更好地模擬體內(nèi)條件。

　　2.2 骨關(guān)節(jié)炎體外模型的最新研究進(jìn)展 3D 生物制造和人體器官平臺(tái)已被用于模擬人體病理生理狀況，或可作為潛在的最先進(jìn)的體外骨關(guān)節(jié)炎模型。

　　3 討論 Discussion

　　3.1 既往他人在該領(lǐng)域研究的貢獻(xiàn)和存在的問(wèn)題 既往的研究證明了傳統(tǒng)體外模型在研究骨關(guān)節(jié)炎的病理生理學(xué)、分子機(jī)制和治療靶點(diǎn)的鑒定方面取得了令人鼓舞的結(jié)果，但是這些模型存在一些挑戰(zhàn)，如缺乏全面考慮骨關(guān)節(jié)炎的多因素性質(zhì)、對(duì)不同分子途徑有待更多探索，對(duì)分子靶點(diǎn)和治療靶點(diǎn)的識(shí)別有待深入研究等。總之，缺乏一個(gè)根據(jù)不同的疾病表型將骨關(guān)節(jié)炎模型標(biāo)準(zhǔn)化的理想模型。

　　3.2 作者綜述區(qū)別于他人他篇的特點(diǎn) 該綜述概述了不同的體外模型的特點(diǎn)應(yīng)用，不僅包括 2D 模型、3D 模型、外植體等傳統(tǒng)模型，還討論了 3D 生物制造模型、類器官、芯片器官模型等先進(jìn)組織工程模型。以表格的形式簡(jiǎn)要回顧了用于誘導(dǎo)骨關(guān)節(jié)炎條件的因素、造模方法及評(píng)估指標(biāo)等。

　　3.3 綜述的局限性 ①文章討論的更多的是關(guān)節(jié)軟骨的相關(guān)研究，較少基于關(guān)節(jié)不同組成部分及其相互作用的組織工程學(xué)方法的研究：②對(duì)于參與骨關(guān)節(jié)炎的分子、通路和細(xì)胞、治療靶點(diǎn)的討論有待詳細(xì)描述。③文章缺乏如何更好定義骨關(guān)節(jié)炎的病理階段，缺乏相關(guān)分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于更及時(shí)、更有效地指導(dǎo)干預(yù)疾病進(jìn)展具有一定的局限性。

　　3.4 綜述的重要意義 該綜述描述了不同的體外模型的特點(diǎn)和相關(guān)應(yīng)用，簡(jiǎn)述了參與骨關(guān)節(jié)炎的分子、通路和細(xì)胞，總結(jié)了該領(lǐng)域的最新進(jìn)展，在一定程度上促進(jìn)了研究者們對(duì)該疾病的理解。同時(shí)可引發(fā)研究者們的思考，一方面為了解疾病的復(fù)雜性和異質(zhì)性，更好地指導(dǎo)新的骨關(guān)節(jié)炎治療策略的發(fā)展，全面和多系統(tǒng)的方法是非常必要的;另一方面啟發(fā)研究者們思考如何更好地利用當(dāng)前技術(shù)來(lái)發(fā)展骨關(guān)節(jié)炎的新治療方法。

　　3.5 課題專家組對(duì)未來(lái)的建議

　　骨關(guān)節(jié)炎模型的主要焦點(diǎn)是軟骨修復(fù)或骨骼修復(fù)。關(guān)節(jié)的不同組成部分和不同種類細(xì)胞之間的相互作用有必要系統(tǒng)化，這將有助于更好地理解骨關(guān)節(jié)炎的分子靶點(diǎn)和途徑。此外，還需要根據(jù)功能和結(jié)果對(duì)不同階段的骨關(guān)節(jié)炎模型進(jìn)行分類，以改進(jìn)治療干預(yù)。因此，共識(shí)模型的發(fā)展將提供對(duì)骨關(guān)節(jié)炎的特定階段和參與研究疾病發(fā)病機(jī)制的相互作用的更多理解。

　　未來(lái)可通過(guò)融合先進(jìn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)更精準(zhǔn)的系統(tǒng)，向個(gè)性化醫(yī)療邁進(jìn)。結(jié)合尖端技術(shù)和細(xì)胞培養(yǎng)方面的進(jìn)步，將能夠在微尺度水平上復(fù)制病理生理?xiàng)l件的器官芯片技術(shù)、能夠精確控制組織結(jié)構(gòu)的 3D 生物打印和能夠流體循環(huán)、輸送生物活性分子的灌注生物反應(yīng)器集成到一起。最終為骨關(guān)節(jié)炎治療和藥物測(cè)試開(kāi)發(fā)一個(gè)更合適的平臺(tái)。

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　　作者：李明秀 1，王 軒 1，楊 杰 2，李 毅 2