美麗　劉少英　劉福艷　凌沛學(xué)

250012　山東濟南，　　山東大學(xué)藥學(xué)院

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脂肪組織來源干細胞治療骨關(guān)節(jié)炎研究進展

美麗劉少英劉福艷凌沛學(xué)

250012山東濟南，山東大學(xué)藥學(xué)院

摘要骨關(guān)節(jié)炎(OA)是以軟骨退行性變?yōu)橹饕∽兊穆约膊?，且由于關(guān)節(jié)軟骨組織無血管供應(yīng)營養(yǎng)、軟骨細胞再生能力差等原因，受損軟骨很難自身修復(fù)。脂肪組織來源干細胞(ADSC)具有優(yōu)良的自我復(fù)制能力和多項分化潛能，在特定誘導(dǎo)條件下能向軟骨細胞分化。近年來對ADSC治療OA的研究較多，并已證實關(guān)節(jié)腔注射ADSC可有效緩解OA病情、修復(fù)受損軟骨。該文對ADSC治療OA研究進展作一綜述。

關(guān)鍵詞脂肪組織來源干細胞；骨關(guān)節(jié)炎；軟骨缺損；關(guān)節(jié)腔注射

骨關(guān)節(jié)炎(OA)是一種常見的關(guān)節(jié)軟骨退行性疾病，其病理變化包括軟骨磨損、滑膜炎癥、骨贅生成及軟骨下骨病變等，常導(dǎo)致疼痛和行動不便[1]。由于關(guān)節(jié)軟骨并無血管和神經(jīng)，受損軟骨組織難以自身修復(fù)[2]。間充質(zhì)干細胞(MSC)具有良好的自我復(fù)制能力和多向分化潛能，有治愈多種退行性疾病的潛能。多項研究[3-5]證實，骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSC)、脂肪組織來源干細胞(ADSC)、滑膜來源干細胞等可有效治療OA。其中ADSC因其來源豐富、取材方便、組織中含量高等而備受關(guān)注[6]。因為OA在老年人中發(fā)病率較高，故選擇治療OA細胞時須考慮年齡對所選細胞的影響。ADSC增殖、分化和集落形成等性質(zhì)受老齡化影響明顯小于BMSC[7]。

1動物實驗研究

動物實驗研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)節(jié)腔注射無支架材料的ADSC、可注射支架材料混懸的ADSC或體外預(yù)處理的ADSC均能有效緩解OA病情。

1.1單純使用ADSC治療OA

ADSC治療軟骨缺損研究開始較早，2003年就有報道[8]，但關(guān)節(jié)腔注射ADSC治療OA的研究開始較晚。Frisbie等[9]最早于2009年報道關(guān)節(jié)腔注射體外擴增的自體來源ADSC和BMSC治療關(guān)節(jié)鏡下誘導(dǎo)的馬OA，未發(fā)生不良反應(yīng)，但也未改善OA情況。Toghraie等[10-11]采用膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶切斷(ACLT)誘導(dǎo)的家兔OA模型，證實關(guān)節(jié)腔注射無支架材料的生理鹽水混懸脂肪墊來源ADSC和皮下ADSC均能緩解OA病情，修復(fù)OA中損傷的軟骨，表明了ADSC治療OA的有效性。

1.2ADSC與支架或媒介混懸液治療OA

ADSC與可注射支架或媒介混合液治療OA的研究較多。常用的支架和媒介分別為透明質(zhì)酸(HA)、纖維蛋白凝膠等高分子支架和血清、富血小板血漿(PRP)等富含營養(yǎng)物質(zhì)的液體。Kuroda等[12]對家兔ACLT誘導(dǎo)形成OA，治療組關(guān)節(jié)腔注射HA溶液混懸ADSC，對照組注射單純HA溶液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與對照組相比，治療組軟骨退變明顯被抑制。Lee等[13]采用以纖維蛋白凝膠為支架的ADSC治療ACLT誘導(dǎo)的大鼠OA模型，取得良好療效。ter Huurne等[14]將綠色熒光蛋白(GFP)標(biāo)記的ADSC用4%小鼠血清混懸，關(guān)節(jié)腔注射治療膠原誘導(dǎo)的小鼠OA模型，結(jié)果顯示可明顯緩解軟骨退變、滑膜增厚和骨贅形成等OA相關(guān)病理變化。Desando等[15]在ACLT誘導(dǎo)的家兔OA模型中用4%家兔血清混懸的ADSC治療，取得明顯療效。

1.3經(jīng)體外預(yù)處理的ADSC治療OA

將干細胞向軟骨細胞分化相關(guān)基因轉(zhuǎn)染至ADSC，可提高其向軟骨細胞分化的能力。Lee等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在ACLT誘導(dǎo)的大鼠OA模型中，試驗組關(guān)節(jié)腔注射經(jīng)纖維蛋白膠混懸且轉(zhuǎn)染SOX-5、SOX-6、SOX-9基因的ADSC進行治療，對照組只注射纖維蛋白凝膠治療，8周后對比治療效果，發(fā)現(xiàn)試驗組癥狀獲得明顯緩解。采用生物活性物質(zhì)體外預(yù)處理ADSC，可提高其增殖分化能力。van Pham等[16]研究發(fā)現(xiàn)，使用PRP預(yù)處理ADSC 能大大提高其增殖和向軟骨細胞分化的能力，從而提高其治療OA的效果，具體操作方法為在體外先將ADSC向軟骨細胞誘導(dǎo)分化，再向關(guān)節(jié)腔內(nèi)進行注射治療。Ude等[17]對ACLT誘導(dǎo)的山羊OA模型進行試驗，治療組分別向關(guān)節(jié)腔注射體外向軟骨細胞誘導(dǎo)分化的ADSC或BMSC，對照組注射含10%胎牛血清的D-MEM/F12培養(yǎng)基治療，6周后發(fā)現(xiàn)與對照組相比，ADSC與BMSC治療組均能明顯減低關(guān)節(jié)軟骨國際軟骨修復(fù)協(xié)會(ICRS)組織學(xué)評分，修復(fù)受損軟骨。

2臨床研究

臨床上采用關(guān)節(jié)腔注射ADSC/PRP混合液、ADSC/PRP/HA混合液和ADSC/纖維蛋白凝膠混合液治療OA較為常見。

關(guān)節(jié)腔注射ADSC/PRP混合液治療OA的研究較多。Bui等[18]對21例OA患者實施關(guān)節(jié)腔注射腹部ADSC/PRP混合液，隨訪6個月，所有患者病情明顯好轉(zhuǎn)，MRI檢查顯示軟骨變厚。Koh等[19]對18例OA患者實施關(guān)節(jié)腔注射脂肪墊來源ADSC/PRP混合液治療，隨訪24.3個月后，所有患者臨床癥狀均得到明顯改善；將25例OA患者分為治療組與對照組，治療組關(guān)節(jié)腔注射脂肪墊來源ADSC/PRP混合液，對照組關(guān)節(jié)腔注射單純PRP，隨訪16.4月，均未發(fā)現(xiàn)任何不良反應(yīng)，與治療前相比，治療后兩組患者關(guān)節(jié)Lysholm評分、Tegner運動水平評分均提高，疼痛視覺模擬評分(VAS)降低，治療組療效優(yōu)于對照組，但無統(tǒng)計學(xué)差異[20]。

Koh等[21]對30例OA患者進行關(guān)節(jié)腔注射臀部ADSC/PRP混合液，與治療前相比，87.5%患者軟骨缺損得到修復(fù)或未進一步缺損，且治療24個月后的療效明顯優(yōu)于治療后12個月。臨床研究[22]報道，對35例OA患者進行關(guān)節(jié)腔注射臀部ADSC/PRP混合液，隨訪24個月，發(fā)現(xiàn)患者國際膝關(guān)節(jié)文獻委員會(IKDC)膝關(guān)節(jié)評分和Tegner運動水平評分均得到明顯提高，且94%的患者對療效滿意，但經(jīng)關(guān)節(jié)鏡評價軟骨缺損發(fā)現(xiàn)，76%患者仍有軟骨缺損，高體重指數(shù)(BMI)和大軟骨缺損是影響ADSC治療效果的主要因素。有對照研究[23]顯示，對實驗組21例患者實施高位脛骨截骨術(shù)(HTO)與關(guān)節(jié)腔注射ADSC/PRP混合液聯(lián)合治療，對對照組23例患者實施HTO與關(guān)節(jié)腔注射單純PRP聯(lián)合治療，隨訪24個月，實驗組疼痛緩解、OA病情改善明顯優(yōu)于對照組，經(jīng)關(guān)節(jié)鏡評價軟骨缺損發(fā)現(xiàn)，實驗組50%患者軟骨缺損處存在纖維軟骨修復(fù)，而對照組僅10%患者存在類似現(xiàn)象。

Pak[24]對2例OA患者進行關(guān)節(jié)腔注射腹部ADSC/PRP/HA聯(lián)合微量地塞米松治療， 3個月后MRI檢查顯示，2例患者關(guān)節(jié)軟骨均較治療前明顯增多，疼痛明顯減輕，關(guān)節(jié)活動度明顯增強。Pak等[25]對91例OA患者關(guān)節(jié)腔注射ADSC/PRP/HA混合液，1個月和3個月后平均VAS評分從治療前26.62 ± 0.32分別減輕至6.55 ± 0.32和4.43±0.41，隨訪30個月，未發(fā)現(xiàn)任何不良反應(yīng)。

Kim等[26]對54例OA患者進行研究，其中A組(17例)實施關(guān)節(jié)腔注射纖維蛋白凝膠混懸ADSC治療，B組(37例)實施關(guān)節(jié)腔注射無支架材料ADSC治療，隨訪28.6個月，發(fā)現(xiàn)兩組IKDC評分和Tegner運動水平評分均無顯著性差異，但與治療前相比均顯著提高，經(jīng)關(guān)節(jié)鏡評價軟骨缺損發(fā)現(xiàn)第1組58%患者、第2組23%患者的關(guān)節(jié)軟骨達到正常水平。

3治療機制

ADSC對OA治療作用可通過以下3種途徑實現(xiàn)：①分化為軟骨細胞，修復(fù)受損軟骨組織；②分泌抗炎因子和營養(yǎng)因子促進軟骨前體細胞增殖，并通過抑制軟骨細胞炎癥、凋亡、肥大化、纖維化和去分化等來抑制軟骨組織破壞，減輕軟骨受損；③分泌抗炎因子，抑制關(guān)節(jié)腔內(nèi)巨噬細胞活性，降低炎性因子釋放，從而抑制OA炎癥。

3.1ADSC向軟骨細胞分化

ADSC在適當(dāng)誘導(dǎo)條件下能向軟骨細胞分化。治療軟骨缺損時，將ADSC與支架材料填補于軟骨缺損處，ADSC能向軟骨細胞分化而修復(fù)缺損軟骨[27-28]。但關(guān)節(jié)腔注射ADSC治療OA時，熒光標(biāo)記的ADSC分布在滑膜和內(nèi)側(cè)半月板中，而軟骨組織中并未檢測到被標(biāo)記的細胞，因此治療OA時ADSC是否能向軟骨細胞分化需進一步研究[12,14-15]。

3.2ADSC對軟骨細胞的保護作用

ADSC可抑制OA軟骨細胞炎癥、凋亡、肥大化、纖維化和去分化等而保護軟骨細胞并促進軟骨細胞增殖。Platas等[29]報道ADSC的體外培養(yǎng)液能通過抑制轉(zhuǎn)錄因子核因子-κB(NF-κB)實現(xiàn)促進軟骨細胞的增殖并抑制白細胞介素(IL)-1β誘導(dǎo)的軟骨細胞基質(zhì)金屬蛋白酶、一氧化氮(NO)、前列腺素(PG)E2和趨化因子CXCL等炎性介質(zhì)。van Buul等[30]研究發(fā)現(xiàn)，干擾素(IFN)-γ和腫瘤壞死因子(TNF)-α刺激的ADSC培養(yǎng)上清能抑制OA患者軟骨和滑膜組織炎癥。Manferdini等[31]將ADSC與OA軟骨細胞和滑膜細胞共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)能抑制軟骨細胞和滑膜細胞的IL-1β、TNF-α、IL-6、CXCL1/生長相關(guān)癌基因α、CXCL8/IL-8、CXCL2/單核細胞趨化蛋白、CXCL3/巨噬細胞炎性蛋白1α和CXCL5/RANTES等炎性因子，該抗炎作用不通過拮抗IL-10、IL-1受體和纖維生長因子(FGF)-2、吲哚-2,3雙加氧酶(IDO)和半乳糖凝集素1抗體等常見免疫調(diào)節(jié)因子介導(dǎo)，而是通過環(huán)氧合酶 (COX)-2/PGE2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路實現(xiàn)，在此過程中軟骨細胞和滑膜炎癥程度越嚴(yán)重，其抗炎效果越明顯。Maumus等[32]將ADSC與OA患者軟骨細胞共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)ADSC能抑制軟骨細胞纖維化、肥大化而使其保持透明軟骨表型，并能抑制喜樹堿誘導(dǎo)的軟骨細胞凋亡，共培養(yǎng)后軟骨細胞分泌轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β數(shù)量明顯減少，而ADSC分泌肝細胞生長因子(HGF)數(shù)量明顯增多，中和HGF時，抗軟骨細胞纖維化作用消失，推測ADSC抗軟骨細胞纖維化的作用可能通過HGF實現(xiàn)。

3.3ADSC免疫調(diào)節(jié)作用

ADSC免疫調(diào)節(jié)作用是其治療OA的重要機制之一。ADSC能被炎性因子激活而分泌PGE2、IDO、NO等直接或間接抑制免疫細胞。與OA發(fā)生發(fā)展較為密切的免疫細胞為滑膜巨噬細胞。在OA過程中滑膜巨噬細胞較為活躍，分泌IL-1β和TNF-α等炎性因子而導(dǎo)致軟骨細胞凋亡[33]。Schelbergen等[34]研究發(fā)現(xiàn)，ADSC能通過與巨噬細胞相互作用來抑制巨噬細胞的活化，抑制其分泌IL-1β、TNF-α、S100A8/A9等炎性因子，從而抑制OA中軟骨退化，經(jīng)INF-γ和IL-1β刺激的ADSC培養(yǎng)上清能提高巨噬細胞精氨酸酶、IDO和一氧化氮合成酶(iNOS)的表達而使巨噬細胞由M1型轉(zhuǎn)化為M2型。

4存在問題

ADSC對較嚴(yán)重的OA和BMI較大的患者療效較差。ter Huurne等[14]采用小鼠OA模型，比較ADSC對不同程度OA的療效，發(fā)現(xiàn)ADSC能明顯緩解早期OA軟骨退變、滑膜增厚和骨贅形成等病理變化，但對晚期OA無明顯改善作用。Jo等[35]比較ADSC治療炎癥較重的膠原誘導(dǎo)OA和炎癥程度較輕的ACLT誘導(dǎo)OA的療效，發(fā)現(xiàn)前者療效明顯優(yōu)于后者，認(rèn)為一定程度的炎癥能提高ADSC治療OA的作用。

目前ADSC治療OA的研究中，關(guān)于細胞數(shù)量對療效的影響仍存爭議。Desando等[15]采用ACLT誘導(dǎo)的家兔OA模型比較不同數(shù)量ADSC(細胞數(shù)量分別為2×106和6×106)的治療作用，發(fā)現(xiàn)低劑量組療效優(yōu)于高劑量組。Jo等[35]在臨床研究中比較高(1×108)、中(5×107)、低(1×107)劑量ADSC治療18例嚴(yán)重程度不同OA患者的療效，發(fā)現(xiàn)只有高劑量ADSC能減輕OA病情并修復(fù)受損軟骨。

自體來源、同種異體來源和異種異體來源ADSC治療OA的有效性在動物實驗研究中得到證實。但臨床研究所用的ADSC均為患者自體細胞，異體來源ADSC治療OA尚未見報道，尚待進一步研究。

參考文獻

[ 1 ]Shao H, Han G, Ling P, et al. Intra-articular injection of xanthan gum reduces pain and cartilage damage in a rat osteoarthritis model[J]. Carbohydr Polym, 2013, 92(2):1850-1857.

[ 2 ]Inui A, Iwakura T, Reddi AH. Human stem cells and articular cartilage regeneration[J]. Cells, 2012, 1(4):994-1009.

[ 3 ]王鑫,茍文隆,徐小龍，等. 骨髓間充質(zhì)干細胞歸巢促小鼠骨折愈合的實驗研究[J]. 國際骨科學(xué)雜志, 2015, 36(3):218-223.

[ 4 ]Liu Y, Buckley CT, Almeida HV, et al. Infrapatellar fat pad-derived stem cells maintain their chondrogenic capacity in disease and can be used to engineer cartilaginous grafts of clinically relevant dimensions[J]. Tissue Eng Part A, 2014, 20(21-22):3050-3062.

[ 5 ]Shimomura K, Moriguchi Y, Ando W, et al. Osteochondral repair using a scaffold-free tissue-engineered construct derived from synovial mesenchymal stem cells and a hydroxyapatite-based artificial bone[J]. Tissue Eng Part A, 2014, 20(17-18):2291-2304.

[ 6 ]Aust L, Devlin B, Foster SJ, et al. Yield of human adipose-derived adult stem cells from liposuction aspirates[J]. Cytotherapy, 2004, 6(1):7-14.

[ 7 ]Beane OS, Fonseca VC, Cooper LL, et al. Impact of aging on the regenerative properties of bone marrow-, muscle-, and adipose-derived mesenchymal stem/stromal cells[J]. PLoS One, 2014, 9(12):e115963.

[ 8 ]Nathan S, Das-De S, Thambyah A, et al. Cell-based therapy in the repair of osteochondral defects: a novel use for adipose tissue[J]. Tissue Eng, 2003, 9(4):733-744.

[ 9 ]Frisbie DD, Kisiday JD, Kawcak CE, et al. Evaluation of adipose-derived stromal vascular fraction or bone marrow-derived mesenchymal stem cells for treatment of osteoarthritis[J]. J Orthop Res, 2009, 27(12):1675-1680.

[10]Toghraie FS, Chenari N, Gholipour MA, et al. Treatment of osteoarthritis with infrapatellar fat pad derived mesenchymal stem cells in rabbit[J]. Knee, 2011, 18(2):71-75.

[11]Toghraie F, Razmkhah M, Gholipour MA, et al. Scaffold-free adipose-derived stem cells (ASCs) improve experimentally induced osteoarthritis in rabbits[J]. Arch Iran Med, 2012, 15(8):495-499.

[12]Kuroda K, Kabata T, Hayashi K, et al. The paracrine effect of adipose-derived stem cells inhibits osteoarthritis progression[J]. BMC Musculoskelet Disord, 2015, 16:236.

[13]Lee JM, Im GI. SOX trio-co-transduced adipose stem cells in fibrin gel to enhance cartilage repair and delay the progression of osteoarthritis in the rat[J]. Biomaterials, 2012, 33(7):2016-2024.

[14]ter Huurne M, Schelbergen R, Blattes R, et al. Antiinflammatory and chondroprotective effects of intraarticular injection of adipose-derived stem cells in experimental osteoarthritis[J]. Arthritis Rheum, 2012, 64(11):3604-3613.

[15]Desando G, Cavallo C, Sartoni F, et al. Intra-articular delivery of adipose derived stromal cells attenuates osteoarthritis progression in an experimental rabbit model[J]. Arthritis Res Ther, 2013, 15(1):R22.

[16]van Pham P, Bui KH, Ngo DQ, et al. Activated platelet-rich plasma improves adipose-derived stem cell transplantation efficiency in injured articular cartilage[J]. Stem Cell Res Ther, 2013, 4(4):91.

[17]Ude CC, Sulaiman SB, Min-Hwei N, et al. Cartilage regeneration by chondrogenic induced adult stem cells in osteoarthritic sheep model[J]. PLoS One, 2014, 9(6):e98770.

[18]Bui KH, Duong TD, Nguyen NT, et al. Symptomatic knee osteoarthritis treatment using autologous adipose derived stem cells and platelet-rich plasma: a clinical study[J]. Biomed Res Ther, 2014, 1(1):2-8.

[19]Koh YG, Jo SB, Kwon OR, et al. Mesenchymal stem cell injections improve symptoms of knee osteoarthritis[J]. Arthroscopy, 2013, 29(4):748-755.

[20]Koh YG, Choi YJ. Infrapatellar fat pad-derived mesenchymal stem cell therapy for knee osteoarthritis[J]. Knee， 2012， 19(6):902-907.

[21]Koh YG, Choi YJ, Kwon SK, et al. Clinical results and second-look arthroscopic findings after treatment with adipose-derived stem cells for knee osteoarthritis[J]. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc， 2015， 23(5):1308-1316.

[22]Koh YG, Choi YJ, Kwon OR, et al. Second-look arthroscopic evaluation of cartilage lesions after mesenchymal stem cell implantation in osteoarthritic knees[J]. Am J Sports Med, 2014, 42(7):1628-1637.

[23]Koh YG, Kwon OR, Kim YS, et al. Comparative outcomes of open-wedge high tibial osteotomy with platelet-rich plasma alone or in combination with mesenchymal stem cell treatment: a prospective study[J]. Arthroscopy, 2014, 30(11):1453-1460.

[24]Pak J. Regeneration of human bones in hip osteonecrosis and human cartilage in knee osteoarthritis with autologous adipose-tissue-derived stem cells: a case series[J]. J Med Case Rep, 2011, 5:296.

[25]Pak J, Chang JJ, Lee JH, et al. Safety reporting on implantation of autologous adipose tissue-derived stem cells with platelet-rich plasma into human articular joints[J]. BMC Musculoskelet Disord, 2013, 14:337.

[26]Kim YS, Choi YJ, Suh DS, et al. Mesenchymal stem cell implantation in osteoarthritic knees: is fibrin glue effective as a scaffold?[J]. Am J Sports Med, 2015, 43(1):176-185.

[27]Xie X, Wang Y, Zhao C, et al. Comparative evaluation of MSCs from bone marrow and adipose tissue seeded in PRP-derived scaffold for cartilage regeneration[J]. Biomaterials, 2012, 33(29):7008-7018.

[28]Sato M, Uchida K, Nakajima H, et al. Direct transplantation of mesenchymal stem cells into the knee joints of Hartley strain guinea pigs with spontaneous osteoarthritis[J]. Arthritis Res Ther, 2012, 14(1):R31.

[29]Platas J, Guillen MI, del Caz MD, et al. Conditioned media from adipose-tissue-derived mesenchymal stem cells downregulate degradative mediators induced by interleukin-1β in osteoarthritic chondrocytes[J]. Mediators Inflamm, 2013, 2013:357014.

[30]van Buul GM, Villafuertes E, Bos PK, et al. Mesenchymal stem cells secrete factors that inhibit inflammatory processes in short-term osteoarthritic synovium and cartilage explant culture[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2012, 20(10):1186-1196.

[31]Manferdini C, Maumus M, Gabusi E, et al. Adipose-derived mesenchymal stem cells exert antiinflammatory effects on chondrocytes and synoviocytes from osteoarthritis patients through prostaglandin E2[J]. Arthritis Rheum, 2013, 65(5):1271-1281.

[32]Maumus M, Manferdini C, Toupet K, et al. Adipose mesenchymal stem cells protect chondrocytes from degeneration associated with osteoarthritis[J]. Stem Cell Res, 2013, 11(2):834-844.

[33]Clouet J, Vinatier C, Merceron C, et al. From osteoarthritis treatments to future regenerative therapies for cartilage[J]. Drug Discov Today, 2009, 14(19-20):913-925.

[34]Schelbergen RF, van Dalen S, ter Huurne M, et al. Treatment efficacy of adipose-derived stem cells in experimental osteoarthritis is driven by high synovial activation and reflected by S100A8/A9 serum levels[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2014, 22(8):1158-1166.

[35]Jo CH, Lee YG, Shin WH, et al. Intra-articular injection of mesenchymal stem cells for the treatment of osteoarthritis of the knee: a proof-of-concept clinical trial[J]. Stem Cells, 2014, 32(5):1254-1266.

(收稿：2015-07-20；修回：2015-12-14)

(本文編輯：李圓圓)

DOI：10.3969/j.issn.1673-7083.2016.02.009

通信作者：凌沛學(xué)E-mail: lpx@sdfmg.com