作者：同济大学附属杨浦医院关节外科 张文正
骨关节炎（OA）作为常见的退行性病变，可严重影响患者的活动能力及生活质量。因关节软骨内没有神经和血管分布，发生损伤后的自我修复及再生十分困难，现有的治疗方法尚不能从根本上逆转这一过程。目前，终末期OA多采用膝关节置换，而早中期OA主要通过口服药物、关节内注射和关节镜等对症方式治疗，但此方式形成的新生软骨往往为纤维软骨，与天然软骨相比，纤维软骨的机械性能及结构性能均较差，且并不能延缓OA进程。因此，如何延缓OA进程，有效治疗早中期OA是临床上迫切需要解决的一大难题。目前，间充质干细胞（MSCs）治疗OA软骨损伤已取得显著进展，但临床应用中仍存在细胞存活率低、不能定植于损伤部位发挥作用等的限制。为了解决这些问题，越来越多的研究开始关注MSCs联合疗法（药物、高压氧舱及生物功能支架等）作为软骨损伤修复的新途径，其中联合生物功能支架是近年来备受关注的一种有效途径。生物功能支架具有提供细胞黏附的机械支持、调控细胞外微环境的优势，能促进MSCs的定向分化和外分泌，从而促进软骨再生。本文从MSCs在早中期OA软骨修复中的应用、生物功能支架概述及MSCs联合生物功能支架修复软骨损伤的途径等方面进行综述，旨在为支架的改进和新型支架的开发提供研究思路。
MSCs在早中期OA软骨修复中的应用
MSCs是一种多能干细胞，在适宜的外部环境中，它可以分化为一系列细胞类型，包括软骨细胞、骨细胞以及脂肪细胞，并且可以合成和释放各类细胞因子，从而产生自分泌及旁分泌效应。多种组织可作为MSCs的来源，例如骨髓、脂肪组织、脐带和牙髓等。MSCs的生物学活性的多样性及来源广泛性使其成为修复软骨损伤较为理想的种子细胞。MSCs治疗软骨损伤主要通过2个途径实现：一是MSCs迁移到损伤部位并分化为软骨细胞，以替代损伤的细胞从而促进软骨修复；二是MSCs通过释放细胞因子、生长因子和外泌体的旁分泌促进软骨修复。
在早中期OA软骨修复过程中，单用MSCs存在若干影响疗效的问题，而联合生物功能支架进行治疗，生物功能支架通过构建仿生基质微环境，不仅能提供细胞黏附的机械支持保留种子细胞，而且可调控MSCs的增殖分化及外分泌；另外，生物功能支架还能募集损伤部位的内源性MSCs并诱导其分化为软骨细胞，从而修复软骨损伤。但天然支架材料不受控的降解动力性能及较差的机械性能限制了其广泛应用，而添加剂制造技术的发展有望解决这些问题。如熔融挤出以及熔融沉积建模能根据所需形状、结构及尺寸定制生物功能支架，从而植入并适应患者的损伤部位。近年来，组织工程研究在不断摸索更适合的支架材料，支架制造工艺也在不断进步，例如采用微流控技术构建的微球支架、3D打印技术构建的分层支架及脱细胞支架等，这使得MSCs联合生物功能支架方式有望成为治疗软骨损伤的新策略。
生物功能支架概述
随着组织工程学的进步，修复关节软骨时不再局限于将MSCs直接注射入关节腔中，而是通过支架为细胞提供黏附的载体和外部微环境，从而达到更好的治疗效果。研究显示，早期支架虽在一定程度上提高了新生软骨质量，但忽略了天然软骨的关节结构特征，例如软骨的分层排列以及软骨与软骨下骨之间的相互作用，而且受损关节如何原位固定新生软骨也有待解决。与天然软骨相比，新生软骨缺乏耐用性，这可能与新生软骨的细胞外基质缺乏高度定向性有关。另外，固液相分离、冷冻干燥及纤维粘合等过去的支架制造工艺，仅能处理简单材料，而支架的结构及性能往往取决于基础材料。新的支架制造工艺如3D打印可处理更为复杂的材料，制造出结构、外形复杂且具有生物或生理功能的支架。这些生物功能性支架考虑了软骨再生的更多因素，例如天然软骨的高度组织化、搭载干细胞的纤维软骨分化等，与MSCs结合后，可有效促进MSCs增殖、软骨生成并具有模拟天然软骨机械性能。
MSCs联合生物功能支架修复软骨损伤的途径
促进MSCs增殖及软骨生成 临床上需要使用足够数量的MSCs才能达到预期的治疗效果，然而细胞死亡以及弥散问题会导致直接注射MSCs疗法效果并不理想。生物功能支架可以促进所搭载的MSCs增殖及软骨生成，达到更好的治疗效果。Huangetal研究显示，明胶支架中掺杂羟基磷灰石可以增加支架的机械强度，还可延长水凝胶的流体时间，为3D结构提供了更大的自由度，减少了支架打印过程中针孔的堵塞，从而更受控地进行3D打印，而通过微挤出3D生物打印和酶交联技术制造的明胶／羟基磷灰石支架可以使脐带血MSCs黏附并促进其增殖，同时促进MSCs向透明软骨分化，而不是形成纤维软骨。制造工艺的改进使生物功能支架能更好地促进搭载细胞的增殖及分化，例如同轴静电纺丝法制造的核壳纤维，能够以受控方式掺入和释放生物活性分子（例如药物或生长因子），负载并可控地持续释放一种促进MSCs软骨生成的小分子，显著促进细胞增殖和软骨分化。
模拟天然软骨机械性能 天然软骨是一个高度组织化的结构，具有浅表区、中部区、深层区以及钙化区，每个区都有特定的细胞外基质组成及排列方向。Mooretal采用细胞微组织与生物材料结合3D打印技术，将MSCs体外诱导分化为软骨微小颗粒组织，然后与生物墨水明胶充分混匀并转移至生物墨盒进行3D打印，这种支架保留了诱导软骨表型以及软骨微组织的融合能力。提示我们或许可以通过调整软骨微组织的分化程度实现骨软骨界面的分层模式打印，从而治疗分层骨软骨损伤。但这一复合支架仍有局限性：在体内容易降解致水凝胶变软，会对营养扩散、球状体融合和细胞生长产生影响。为了模拟天然软骨机械性能，Mooretal开发了一种高互连性的3D多孔聚（ε-己内酯）支架，这种新型支架模拟了透明软骨深区，相较于对照组，此支架上的MSCs细胞数量明显增加，且软骨分化水平更高。另有研究在二维胶原支架表面上诱导细胞外基质成分沿微米级引导通道排列，以产生结构紧密的新生软骨，与传统组织工程支架相比，此支架生成的软骨机械性明显增强。
原位修复软骨损伤 因注入关节腔的单纯MSCs悬液存在细胞逸散、死亡等问题，导致迁移或移植细胞很难定植于损伤部位而进行增殖及分化，从而难以发挥作用。因此，研究通过熔融沉积建模工艺制造了一种存在诸多微孔的固定装置，并将MSCs喷墨打印到该固定装置中，防止了MSCs的迅速逸散，同时装置上的微孔对细胞球施加的边界条件能够有效地引导细胞聚集向上生长并向分层关节软骨发展。熔融沉积建模（熔融长丝制造）作为3D打印的一种工艺，是指将聚合物长丝加热至半固态并按指定路径在构建平台沉积形成第一层，并按相同方法逐层沉积形成三维结构的过程。另一种促进软骨损伤原位修复的方法是将化学诱导剂与支架相结合。Mustapichetalｌ使用基质细胞衍生因子-1（MSCs有效的化学引诱剂）联合明胶支架促进MSCs迁移，研究结果显示新生软骨不仅能很好地整合在损伤边缘，而且其蛋白多糖含量高且表面光滑。Goetal创造了一种磁力制动的微支架，即由聚乳酸－乙醇酸组成的微支架主体通过水－脂－水模板形成，其表面通过氨基键形成磁性纳米颗粒，此微支架的多孔结构可以促进细胞黏附及存活，并可通过表面磁性纳米颗粒引导细胞至目标区域发挥作用。尽管OA关节中降解的组织碎片可能会影响微支架的运动，且高浓度的磁性纳米颗粒可能会产生如ＤＮＡ损伤、氧化应激等毒性作用，但携带MSCs的磁驱动微支架在关节软骨损伤的原位修复中仍有巨大的应用潜力。
募集内源性干细胞 当机体受到损伤后，内源性MSCs可以迁移至损伤部位参与组织的修复再生。但是内源性MSCs自主迁移并修复损伤的能力十分有限，故而有必要采取措施来支持内源性MSCs的生长和黏附，诱导其迁移至损伤部位参与修复。Yangetal基于适配体ＨＭ69介导的MSCs特异性募集和生长因子增强的细胞软骨生成技术，开发了一种3D生物打印的双功能支架，此双功能支架能够特异性地募集MSCs，并为其黏附和增殖提供有利的3D生物学相关微环境。然而，特异性识别和募集MSCs的分子和细胞机制尚不清楚，有待进一步探索并寻找更具体、效果更好的募集因子。
抑制炎症反应 关节腔炎症反应与OA进展密切相关，可影响组织的修复再生。对于体内的炎症期，循环单核细胞可迁移至炎症部位并在局部生长因子、促炎因子以及微生物产物的作用下分化为巨噬细胞。巨噬细胞通常分为2个不同的亚群：M1型巨噬细胞可产生白细胞介素（IL）-1β等促炎因子；M2型巨噬细胞可分泌IL-10等抗炎因子抑制炎症，有利于组织修复再生。在特定微环境下，巨噬细胞的2种亚群可进行切换。生物功能支架通过改变体内局部微环境，进而调控巨噬细胞表型，促进Ｍ２型巨噬细胞表达，达到抑制炎症反应的目的。例如：无细胞软骨基质支架与MSCs外泌体联合应用，可以改变大鼠骨软骨损伤模型关节腔内微环境，抑制炎症反应。
总结
单纯使用MSCs修复OA软骨损伤的基础实验研究较多，部分已进入临床试验，但仍存在MSCs体外扩增困难、定向迁移与定植困难、免疫排斥反应等一系列问题。目前，新型支架工艺的研究考虑了软骨及骨软骨下骨之间的相互作用，尽可能地模拟软骨再生的天然微环境，涵盖机械应力方面以及化学、生物因子等方面，弥补了单用MSCs修复OA软骨损伤的不足。MSCs联合生物功能支架可准确、有效地修复软骨损伤区域，同时还可对软骨周围基质力学与生化稳态环境产生影响，创造有利于软骨修复的条件，这为MSCs治疗早中期OA软骨损伤提供了有效途径。但离真正走进临床，实现延缓甚至逆转膝关节OA进程这一终极目标，还有相当长的一段距离。
来源：临床骨科杂志2025年6月第28卷第3期
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