软骨损伤是临床常见的运动系统损伤疾病之一,可导致关节疼痛,关节活动障碍等症状,对患者的生活质量影响很大。软骨组织的自我修复能力十分有限,而现有的临床治疗手段(主要包括药物治疗、理疗和手术干预等)只能缓解疼痛,延缓软骨进一步退化,不能有效促进损伤软骨再生。新生软骨组织的生化性质和力学性能也与正常软骨相差较大,远远满足不了机体的运动需求。因此,软骨损伤修复的新策略有待开发。近年来,以干细胞、生长因子和生物材料为“三要素”的组织工程技术的发展为软骨损伤修复提供了新的思路。然而,目前组织工程技术应用于软骨修复仍需解决三个关键问题:(1)选择合适的种子细胞以及提高种子细胞的疗效;(2)如何实现生长因子的安全和精准应用;(3)构建生物相容性好,满足细胞负载和组织修复需要的支架。因此,针对这些亟待解决的问题,本研究以基于化学修饰m RNA(Chemically modified m RNA,mod RNA)技术的工程化脂肪干细胞(Adipose derived stem cells,ADSCs)的构建、丝素蛋白微球细胞载体制备和丝素蛋白的生物安全性评价为研究对象,开展了成体系的研究,旨在优化组织工程“三要素”组合,开发安全有效的组织工程软骨修复手段。本研究中,我们运用mod RNA体外转染脂肪干细胞构建出了可以分泌胰岛素样生长因子-1(Insulin-like growth factors-1,IGF-1)的工程化种子细胞,并探究了它对于软骨损伤的修复效果;通过肝肾功能检测、组织学分析、全身多组织转录组测序和单细胞质谱流式分析等高通量检测手段系统评估了丝素蛋白材料植入体内的生物效应和免疫应答;最后利用丝素蛋白微球负载工程化种子细胞,在小鼠软骨缺损模型上检验了其软骨损伤治疗效果。本研究发现:(1)mod RNA可以高效率地转染小鼠ADSCs;工程化ADSCs(IGF-1-ADSCs)能分泌具有生物功能性的生长因子IGF-1,可以促进软骨细胞的基质合成;膝关节注射IGF-1-ADSCs能减缓软骨基质降解,延缓小鼠骨关节炎进展;(2)通过高压电喷法可以制备微米级别的丝素蛋白微球,微球具有多孔疏松结构,适合于细胞粘附和生长;丝素蛋白植入体内不会引起明显的急性肝肾功能异常;丝素蛋白支架与临床常用的聚丙烯支架相比具有更好的生物相容性:在外周血中较少的单核细胞、巨噬细胞激活以及较低的CD27,CD115等炎症激活相关基因的表达。在植入物周围组织中有较少的巨噬细胞/中性粒细胞浸润和纤维囊形成;(3)运用丝素蛋白微球作为细胞载体可以提高工程化细胞的软骨损伤修复效果。本研究结合干细胞治疗和基因治疗技术,首次将mod RNA技术应用于组织工程软骨损伤修复领域,构建出能分泌生长因子IGF-1的工程化干细胞,比单一干细胞治疗具有更好的软骨修复效果,相比传统生长因子使用方式更加安全、高效和精准;本研究还提出了结合全身多组织转录组测序和外周血单细胞质谱流式等高通量检测手段的生物材料安全性评估策略;为组织工程软骨修复提供了新的治疗手段。