麻省理工学院新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的制造个性化医学关键分析（CAMP）跨学科研究小组，与新加坡国立大学组织工程计划的合作者一起，开发了一种新方法，通过在间充质基质细胞（MSCs）扩增过程中添加抗坏血酸来增强其生成软骨组织的能力。该研究还发现，由SMART CAMP开发的微磁共振弛豫度测量（μMRR）新型过程分析工具可以用作快速、无标记的过程监测工具，用于高质量的MSCs扩增。
关节软骨是一种保护关节末端骨骼的结缔组织，由于受伤、年龄或关节炎等原因可能会退化，导致显著的关节疼痛和残疾。特别是在新加坡这样活跃的老龄化人口中，关节软骨退化是一个日益增长的问题，影响着越来越多的人。目前，唯一获得美国食品药品监督管理局批准的基于细胞的治疗关节软骨损伤的方法是自体软骨细胞植入，但这种方法成本高、耗时长且需要多次治疗。MSCs因其良好的移植安全性而成为一种有吸引力且有前景的替代方案。然而，由于供体间差异、细胞扩增过程中的变异以及非标准化的MSC制造协议等因素，MSCs的临床应用受到限制。
MSCs的异质性可能导致其生物学行为和治疗效果的差异。尽管为了获得足够数量的治疗相关细胞进行植入，需要大规模的MSCs扩增，但这一过程可能会引入细胞异质性。因此，改进的过程对于减少细胞异质性、增加供体细胞数量并提高其成软骨潜力至关重要，以铺平更有效和一致的基于MSCs的疗法的道路。
在一篇题为《代谢调节以改善MSC扩增和治疗关节软骨修复的潜力》的论文中，CAMP研究人员详细介绍了他们开发的一种策略，通过改变细胞利用能量的方式来增强高质量MSCs的扩增。研究结果表明，成软骨潜力与氧化磷酸化（OXPHOS）之间存在正相关关系，OXPHOS是一种利用氧气还原产生三磷酸腺苷（ATP）的过程，后者是驱动和支持许多生命过程的能量来源。这表明，操纵MSC代谢是提高成软骨潜力的一种有前景的策略。
利用CAMP开发的新型PATs，研究人员探索了代谢调节在细胞短期和长期收获及再接种中的潜力。为了增强其成软骨潜力，他们改变了营养成分，包括葡萄糖、丙酮酸、谷氨酰胺和抗坏血酸（AA）。由于AA被报道支持OXPHOS，并在其分化过程中对成软骨潜力有积极影响，研究人员进一步调查了其在MSC扩增过程中的作用。
在MSC扩增过程中，在一个传代中添加AA并在分化开始前进行，被发现可以改善成软骨分化，这是更好地修复关节软骨的关键质量属性（CQA）。长期AA处理导致具有增强成软骨潜力的MSC产量增加了300多倍，并减少了细胞异质性和细胞衰老，即细胞老化并永久停止分裂但不死亡的过程，与未处理的细胞相比。具有增强成软骨潜力的AA处理MSC显示出向OXPHOS的显著代谢转变。这种代谢变化与μMRR测量结果相关，有助于识别可在关节软骨修复的MSC制造中实施的新CQAs。
该研究还展示了CAMP开发的过程分析工具——微磁共振弛豫度测量（μMRR）的潜力，这是一种微型台式设备，采用微观尺度的磁共振成像（MRI）成像技术，作为添加AA后的MSC扩增过程监测工具。最初用于因疟原虫颗粒的存在而进行无标记疟疾诊断，μMRR在研究中用于检测MSC的衰老。这种快速、无标记的方法只需少量细胞即可进行评估，允许在封闭系统中生产MSC疗法，封闭系统是一种通过减少外部环境的污染风险来保护制药产品的系统，同时允许每批生产的有限数量进行间歇性监测。
“供体间差异、群体内异质性和细胞衰老阻碍了MSC作为关节软骨修复标准疗法的成功。我们的研究表明，AA补充可以在MSC扩增过程中克服这些瓶颈并增强其成软骨潜力，”SMART CAMP高级博士后Ching Ann Tee说，他是该论文的第一作者。“通过控制如AA补充等代谢条件，结合CAMP的过程分析工具如μMRR，可以显著提高细胞疗法产品的产量和质量。这一突破可以使MSC疗法成为更有效和可行的治疗选择，并提供改进制造流程的标准。”
“利用代谢调节来提高MSC成软骨潜力的方法可以适应类似的其他治疗指标，例如用于骨修复的成骨潜力或其他类型的干细胞。将我们的发现应用于MSC制造环境可能是患有骨关节炎和其他关节疾病患者的重要一步，因为我们可以高效地生产大量高质量且功能一致的MSC，使更多患者受益，”SMART CAMP首席研究员、麻省理工学院生物学和生物工程教授Laurie A. Boyer补充道，她也是该论文的通讯作者。
该研究由SMART进行，并得到新加坡国家研究基金会通过其卓越研究和技术企业园区计划的支持。
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