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全球超 2.5 亿人受软骨损伤与退变困扰，自体软骨细胞移植（ACI）时软骨细胞易去分化成纤维样表型，影响治疗效果。研究人员用介电电泳（DEP）监测牛原代软骨细胞电生理特性变化，发现相关指标改变，为评估软骨细胞去分化提供新工具。
在人体中，软骨就像关节的 “减震垫”，默默承受着各种压力和摩擦，守护着关节的灵活运动。然而，现实却很残酷，全球有超过 2.5 亿人正遭受着软骨损伤和退变带来的痛苦。由于软骨自身的一些特性，比如缺乏血管、没有间充质细胞，而且软骨细胞迁移到损伤部位的能力也很弱，这就导致它的自我修复能力非常有限。
为了修复受损的软骨，科学家们想到了基于自体软骨细胞的组织工程方法，其中自体软骨细胞移植（ACI）是一种常见的手段。简单来说，就是从关节的非承重部位取一小块组织，把里面的软骨细胞分离出来，在体外大量培养，等细胞数量足够了，再重新植入到受损的软骨部位。但在实际操作中，却遇到了一个大难题：在传统的单层细胞培养过程中，软骨细胞很容易 “叛变”，发生去分化现象，逐渐变成更像成纤维细胞的样子。这一变化可不得了，不仅会影响研究的准确性，还会让临床治疗效果大打折扣。据统计，因为软骨细胞变成了纤维样表型，高达 70% 的患者在接受治疗后会出现纤维软骨填充的情况，使得治疗后的软骨在力学性能上与正常软骨相差甚远，严重影响了手术的成功率。
面对这样的困境，来自英国萨里大学（University of Surrey）、阿联酋哈利法大学（Khalifa University）以及阿联酋大学（United Arab Emirates University）的研究人员决心找到解决办法。他们开展了一项研究，旨在通过观察软骨细胞在培养过程中的电生理特性变化，来深入了解软骨细胞向成纤维细胞转变的过程，希望能找到一种简单、高效的方法来评估软骨细胞的质量，为临床应用提供有力支持 。最终，他们发现通过监测细胞质电导率等电生理指标的变化，可以有效地追踪软骨细胞的去分化过程，这一成果为未来评估软骨细胞去分化提供了新的方向和潜在工具，有望推动软骨修复治疗的发展。该研究成果发表在《Scientific Reports》上。
研究人员在开展这项研究时，用到了几个关键技术方法。首先是原代牛软骨细胞培养技术，他们从当地屠宰场获取牛的掌指关节软骨，经过一系列处理后分离出软骨细胞进行培养。其次是介电电泳（DEP）技术，利用这个技术来测量细胞的电生理特性，同时结合多电导率方法，通过在不同电导率的溶液中观察细胞的反应，获取细胞膜电容（Ceff）、细胞质电导率（σcyto）等关键数据。另外，研究人员还运用了数据统计分析方法，对实验数据进行处理，判断各项指标的变化是否具有统计学意义。
下面来看看具体的研究结果：
- 分析作为介质电导率的函数：研究人员将软骨细胞悬浮在不同电导率（σmed）的介质中，通过介电电泳光谱分析，发现当σmed为 150mS/m 时，光谱相对无噪声且可建模，基于此确定重点研究 21mS/m、50mS/m 和 150mS/m 这三个电导率下的细胞电生理特性。结果显示，随着σmed增加，Ceff显著降低，σcyto显著升高，而Geff虽无统计学差异，但在 150mS/m 时均值大于其他两个电导率下的值。这表明在研究细胞电生理特性时，需要考虑低σmed的情况。
- 特性随培养时间的变化：研究人员选择以培养天数来跟踪细胞的老化过程。通过对不同电导率下培养的软骨细胞进行长期监测，发现随着培养时间增加，在 150mS/m 电导率下，σcyto和Geff呈现上升趋势，不过线性回归模型的r2值较低，说明这些指标虽有变化，但难以单纯依据培养时间可靠预测。而Ceff在培养过程中未呈现明显的变化趋势。
- DEP 衍生的Vm变化：研究发现，随着培养时间增加，软骨细胞的Vm逐渐变得更负，且呈现出三个阶段的变化。在培养前期（第 40 天前），Vm在 -13mV 到 -18mV 之间；40 天后，Vm超极化至 -32mV 到 -43mV，直至第 80 天；之后再次超极化至 -55mV 到 -71mV。这一变化趋势与软骨细胞去分化为成纤维细胞的过程相呼应，因为文献报道增殖性成纤维细胞的静息Vm在 -20mV 到 -30mV 之间，非增殖性成纤维细胞的Vm为 -68mV 。
综合研究结果和讨论部分来看，这项研究具有重要意义。在细胞培养过程中，软骨细胞去分化为成纤维细胞会给研究和临床应用带来诸多问题，比如影响 ACI 的治疗效果，干扰骨关节炎等疾病的研究。以往评估软骨细胞去分化的方法存在一定局限性，而该研究首次探索了细胞培养过程中电生理学变化与软骨细胞去分化的关系。通过监测电生理指标的变化，尤其是Vm的改变，为研究软骨细胞向成纤维细胞的转变提供了新的视角。虽然目前软骨细胞替代疗法用于软骨再生仍处于临床前阶段，但这项研究表明，介电电泳（DEP）技术有潜力成为评估软骨细胞去分化的新工具，未来有望应用于临床，为改善软骨修复治疗效果提供有力支持。
