同济大学成昱/尹峰/孙毅ACS Nano：发现动态微磁力可时序性调控干细胞治疗膝骨关节炎

机械信号贯穿于关节的整个生理和病理过程，运动产生的机械力是维持软骨内稳态平衡的重要因素。然而，异常的机械刺激，如应力过载或不足，会打破软骨组织的内稳态平衡，诱发骨关节炎。目前，临床治疗骨关节炎的方法主要包括药物治疗进和手术干预，但上述方法只能缓解症状，无法彻底治愈该疾病。近年来，干细胞的多向分化和免疫调节特性使其在骨关节炎治疗中备受青睐，但移植后干细胞在炎症微环境中的存活率低和功能失调是制约疗效的关键障碍。体内干细胞的命运受到机械信号的精细控制，如何精准控制机械信号调节干细胞的功能治疗骨关节炎是亟需解决的问题。

成昱教授团队致力于磁医学工程研究，以磁智能调控为核心，开发了多种新型磁力治疗策略用于肿瘤治疗、组织修复和神经调控等领域，进行从磁力调控理论到实践的医工交叉创新，并自主设计研发了多种配套磁力治疗设备。纳米级磁操纵子在低频磁场介导下可在细胞内持续输出机械力用于激活细胞信号转导，具有无创、安全、精准和高效的优势，为干细胞功能调控提供一种新型的物理手段。

2023年10月17日，同济大学医学院、附属上海市第四人民医院成昱教授联合附属同济医院孙毅教授、附属东方医院关节与骨病专科尹峰课题组在《ACS Nano》杂志（IF=17.1）在线发表了题为“Sophisticated Magneto-Mechanical Actuation Promotes In Situ Stem Cell Assembly and Chondrogenesis for Treating Osteoarthritis”的工作。该研究中，基于时变磁场共振耦合纳米级操纵子的pN级微磁力动态操控技术，建立了MagCell时序性分级调控平台，用于大鼠膝骨关节炎治疗。研究人员合成了兼具高磁响应与抗氧化性的纳米磁操纵子对间充质干细胞进行磁标记，使干细胞能快速响应时变磁场并在关节内原位组装形成细胞团簇促进细胞间通讯，提高定植效率；随后，模拟动物步频机械刺激，在胞内产生动态微磁力调控生化信号，实现了在体干细胞胞间通讯和胞内信号传导过程的时序调控，促进软骨形成。（图1）。

图1. 磁场驱动干细胞关节内原位“组装-分化”时序性调控示意图

在该研究中，研究人员首先合成了兼具高磁响应与抗氧化性能的纳米磁操纵子对间充质干细胞进行磁工程化，形成的磁性干细胞能高效响应磁场远程驱动，同时缓解干细胞在炎症微环境中的氧化损伤（图2）。

图2. 磁性干细胞响应磁场驱动及抵抗氧化损伤

之后，利用自主设计研发的时变聚焦磁场，磁性干细胞在程序化的磁场参数下被远程驱动智能组装形成多细胞团簇；培养后形成的干细胞球体具有更加优异的响应磁场远程驱动的能力，相比于单细胞，干细胞球体的磁驱动速度提高了三个数量级（图3）。

图3.时变聚焦磁场驱动下磁性干细胞智能组装

此外，研究人员利用大鼠及猪的膝关节证明了时变磁场能够驱动磁性干细胞在关节腔内原位组装聚集形成多细胞团簇，提高磁性干细胞在关节腔内的驻留率，并延长磁性干细胞在关节腔内的驻留时间(图4)，并进一步利用大鼠膝骨关节炎和软骨缺损模型验证时变磁场智能操控间充质干细胞关节内原位“组装-分化”时序性调控策略的疗效，证实了磁驱动治疗下干细胞能有效延缓骨关节炎发展进程和修复软骨损伤。

图4. 时变磁场驱动干细胞关节内原位组装聚集

同济大学成昱教授、孙毅教授和尹峰教授为该论文的共同通讯作者，邓翠君副教授、李珍光博士和路来亚博士为本论文的共同第一作者。本研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金和上海市科委基础研究特区计划等项目资助。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c06909