作者：广州医科大学附属第一医院骨科      江锦航

软骨组织根据细胞外基质（ECM）成分的种类与含量可分为透明软骨、纤维软骨和弹性软骨。由于软骨内缺乏血管，其营养代谢依赖于外周组织的渗透和扩散。而关节液中游离的MSCs缺乏成软骨因子，加上软骨本身结构致密，一旦损伤则难以募集足够细胞进行修复，导致原位再生困难。目前临床治疗关节软骨损伤主要采用微骨折术、自体移植和同种异体移植等方法，但这些方法形成的修复组织耐磨性不足，且对大范围缺损修复难度极大。

软骨组织工程为软骨修复提供了潜在解决方案，其核心包括细胞、生长因子和生物材料三部分。研究多选用软骨细胞或MSCs以增强生物材料的修复能力；生长因子可诱导细胞向软骨分化；生物材料则提供物理支撑，促进细胞黏附与增殖，从而促进软骨修复。Kartogenin（KGN）是一种低水溶性、易在细胞内沉淀的小分子杂环化合物，其促进MSCs向软骨分化的能力呈浓度依赖性（EC50=100nmol/L）。研究表明，KGN从基因转录的源头水平进行调控，通过启动软骨形成基因的表达程序，最终在蛋白质和功能水平上促进软骨再生，或与其他小分子如TGF-β3发挥协调作用，为软骨组织工程提供了新的可能。Zhang等研究发现若直接施用KGN而不依靠支架控制移动的方式，会导致KGN扩散至目标外软骨区域并产生非预期作用，高浓度KGN还会影响健康组织再生。此外，关节腔内的KGN易被代谢排出，常需多次注射且生物利用度较低。目前，KGN在软骨修复中的有效性已得到证实，其作用机制也逐渐明晰。不同因子与生物材料的组合正被探索并应用于多样化软骨修复场景。本文将从KGN在软骨修复中的作用机制、适用场景及其在软骨组织工程中的实际应用3个方面进行综述。

KGN的软骨修复机制

KGN通过多条信号通路在软骨再生及骨关节炎（OA）治疗中发挥重要作用。首先，KGN上调软骨细胞特异性基因表达，从而诱导BMSCs向软骨细胞分化。其次，促进软骨基质合成与细胞存活。此外，KGN还具有显著的抗炎与抗氧化作用：一方面通过抑制炎症因子的表达；另一方面通过提高抗氧化酶活性，减轻氧化应激反应与软骨损伤。上述机制相互协同，使KGN在软骨组织修复及退行性疾病治疗中展现出良好的应用前景。

核心结合因子（CBF）-β/Runt相关转录因子（RUNX）通路     Johnson等的研究揭示，KGN通过干预激活CBF的组成及相互作用发挥软骨调节作用。CBF由α亚基（CBF-α）和β亚基（CBF-β）构成，而细丝蛋白A（FLNA）能结合CBF，阻止CBF与RUNX1形成二聚体进入细胞核发挥转录功能。研究发现，KGN通过破坏CBF-β与FLNA之间的结合，释放CBF-β进入细胞核，后与RUNX1形成CBF-β-RUNX1复合体。RUNX1可促进性别决定簇Y框蛋白9（SOX9）表达，刺激软骨细胞分泌Ⅱ型胶原（Col-Ⅱ）、聚集蛋白聚糖（ACAN）。KGN通过调控CBF-β核定位诱导软骨形成，还可能激活c-Jun氨基末端激酶（JNK）/RUNX1通路、延缓RUNX1降解。Zhang等和Decker等研究显示，RUNX1缺失小鼠会自发形成OA，证实了其软骨保护作用。RUNX2结合CBF-α是成骨细胞分化及软骨细胞肥大的关键转录因子。Hill等研究证实β-连环蛋白（β-catenin）具有促软骨形成作用，而KGN可降低其水平，抑制β-catenin/RUNX2通路，减少Col-Ⅹ、基质金属蛋白酶13（MMP-13）合成。此外，KGN与印度刺猬蛋白（Ihh）及下源神经胶质瘤相关癌基因同源物1（Gli-1）、patched蛋白1（Patch-1）表达，软骨细胞合成的Ihh配体，与细胞膜受体Patch-1特异性结合后，解除Patch-1对G蛋白偶联受体样蛋白Smoothened（Smo）的抑制并激活Smo；活化的Smo迁移至细胞纤毛，招募融合抑制因子同源蛋白（Sufu）-Gli复合物（Gli1/2/3）并介导其解离以释放活化形式的Gli2/3，最终Gli2/3进入细胞核，启动Ptch1、Gli1等下游靶基因转录，完成信号传递，对软骨分化至关重要。见图1。

TGF-β/Smad通路     既往研究表明，KGN并不直接刺激细胞增殖，而能够调控TGF-β/Smad通路，上调TGF‑β及其下游信号转导因子Smad2/3的表达，进而诱导软骨分化。TGF-β对软骨作用具有两面性：一方面，其通过激活Smad2/3通路提升ECM及润滑素（lubricin）转录水平，有助于软骨原位修复。Decker等证实KGN可选择性增强MSCs中Smad2/3的磷酸化，从而维持软骨细胞表型。另一方面，TGF-β可通过激活素受体样激酶1（ALK1）使Smad1/5/8磷酸化（该过程通常由BMP激活），可能引发组织纤维化或炎症反应增强等病理改变。目前尚无研究表明KGN能够通过抑制TGF-β或BMP对Smad1/5/8通路的激活来减轻软骨细胞退变。KGN与TGF-β的联合使用，为MSCs在软骨组织工程中的应用提供了新的可能。见图2。

抗炎和抗氧化     KGN除调控MSCs分化外，还与NF-κB受体活化因子配体（RANKL）、沉默信息调节因子2相关酶1（sirtuin1，SIRT1）、核因子E2相关因子2（Nrf2）表达水平相关，可能通过激活软骨细胞中丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路，抑制蛋白激酶B（AKT）/磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）/NF-κB、AKT/细胞外信号调节激酶（ERK）、腺苷单磷酸活化蛋白激酶（AMPK）等通路，从而促进软骨增殖、抑制炎症反应，并调节ECM合成与再生。KGN可降低RANKL表达以抑制破骨分化，同时促进金属蛋白酶组织抑制剂3（TIMP3）表达，进而抑制去整合素样金属蛋白酶（ADAMTSs）而非MMPs的活性。RANKL下调还能上调抗炎因子IL-10，抑制软骨中的促炎反应与破骨生成，进而影响MMP-13、ADAMTS5等降解酶的表达。KGN还能促进调节性T细胞（Treg）分化，增强叉头框蛋白3（FOXP3）和IL-10的表达。IL-1β与活性氧（ROS）及MMP-13、ADAMTS5等降解酶的表达相关。KGN通过miR-146a-Nrf2轴降低IL-1β水平，从而抑制炎症反应，其中miR-146a下调可促进Nrf2入核，增强血红素加氧酶1（HO-1）、超氧化物歧化酶（SOD）等抗氧化酶转录，改善软骨代谢。此外，KGN还可增加AMPK的磷酸化水平，进而上调SIRT1的表达，激活AMPK-SIRT1通路；而SIRT1能够降低ROS水平、上调抗氧化酶表达，增强抗氧化效应，抑制成骨分化，有助于维持软骨形态。见图3。

KGN软骨修复的应用

凭借其多靶点作用机制，KGN与不同生物材料的联用，已广泛用于多种软骨组织的修复再生治疗，包括透明软骨（如关节软骨、气管软骨）、纤维软骨（如髓核、半月板）及肌腱附着点（如肩袖）等。水凝胶因其利于营养物质与细胞流通、有助于细胞存活与分化等特性，成为组织工程中常用的支架材料，且其可注射、易塑形的特点使其常与KGN联合用于软骨组织工程，但其生物力学强度不足。3D打印技术能够模拟软骨的复杂微观结构，在确保足够强度与刚度的同时，构建适宜的孔隙结构以促进药物递送、物质交换及细胞迁移，从而有效支持软骨修复。除生物材料与3D打印技术外，其他辅助方法也与KGN联合应用于软骨修复。外泌体（Exos）是直径30～200nm的小囊泡，具有低免疫原性、无致瘤性等优点，可作为细胞间通讯的转运载体。研究表明，MSCs及富血小板血浆来源的细胞外囊泡可用于OA的诊断与治疗；经KGN预处理的BMSC来源Exos，在软骨损伤治疗中也展现出潜在应用价值。

关节软骨      OA是一种累及软骨的退行性疾病，常伴随滑膜炎症、骨赘形成及软骨下骨硬化。尽管关节腔内干细胞治疗可减少药物代谢与副作用，但小分子化合物易通过淋巴管和滑膜下毛细血管快速清除，成为当前治疗面临的难题。因此，控制药物在关节腔内的释放，以维持软骨细胞表型并调控其分化，是治疗成功的关键。研究人员已尝试将KGN与多种材料结合用于软骨损伤修复。Shi等研发了一种可募集宿主内源性细胞的光交联透明质酸水凝胶，该水凝胶能包裹KGN纳米颗粒，注射至兔膝关节全层软骨缺损模型后，在4周和12周时实验组软骨缺损修复质量显著优于空白对照组；12周时，实验组Col-Ⅱ染色明显，生物力学性能也更优。Xu等通过质粒转染树突状细胞，使其特异性产生E7标记的Exos（E7-Exos），并利用电穿孔技术将KGN载入E7-Exos中；将滑液来源的MSCs/E7-Exos/KGN复合制剂注射至OA小鼠膝关节后，相较于空白组及无Exos包裹的KGN注射组，实验组软骨缺损表面更平滑。Shao等用KGN预处理兔髌下脂肪垫MSCs，经超速离心从MSCs上清液中分离相关活性成分并注射至兔损伤侧膝关节腔，结果促进了软骨细胞增殖及软骨基质表达。Jiang等在前交叉韧带切断诱导的大鼠OA模型中，采用磁引导生物可降解纳米载体进行关节腔注射，8周后micorCT分析示治疗组软骨及软骨下骨结构完整性较空白组、KGN培养组、搭载KGN的纳米载体组显著改善，步态分析也提示其运动能力增强。动物实验中在对照组设置上欠妥，不能排除支架材料对软骨修复的非特异影响。

气管软骨       气管软骨是气管的主要支撑结构，防止吸气时塌陷，确保气道稳定且灵活，其损伤可致气道狭窄。对于短距缺损，通常可通过手术矫正；而较大范围缺损（成人>50%、儿童>30%）则需气管重建，但该过程需同步实现上皮再生、力学性能恢复和血管生成，以支持呼吸上皮和透明软骨的形成。Jing等采用KGN预处理人脐带MSCs，并将其与TGF-β3共包封于电纺丙交酯-己内酯共聚物/胶原纳米膜补片，用于修复家兔气管缺损，结果显示修复区力学性能与正常气管相当，并形成了类似纤毛覆盖的再生气管结构。Shan等采用聚己内酯与20%丝素蛋白构建了含KGN、自体气管上皮和BMSCs的复合支架，修复气管窗式缺损后，其拉伸与压缩性能在纵向与径向均优于天然气管，但软骨生成不明显。Sun等利用3D打印技术重建了气管软骨的C形结构，并结合具有适宜力学与生物微环境的基质水凝胶治疗家兔气管缺损，该C形结构增强了力学性能并适应各向异性环境，但上皮再生仍主要依赖细胞迁移。生物打印技术已被证实可用于气管再生，未来有望为该领域提供新的解决方案。

椎间盘      椎间盘为纤维软骨结构，由髓核、纤维环及上下软骨终板构成，其退变多由髓核损伤或退变引发。髓核含水分、蛋白多糖、Col-Ⅱ等，内有软骨细胞与淋巴细胞；蛋白多糖可锁水并减缓应力，纤维环内的Col-Ⅰ从内到外糖胺聚糖与水分逐渐减少。然而，纤维环及终板钙化会阻碍营养向髓核输送，加上氧化应激等因素，髓核细胞会向成纤维细胞样表型转化，加速Col-Ⅱ和ACAN降解，最终导致不可逆的椎间盘退变。KGN为髓核病变的治疗提供了新思路。Tian等首先通过体外实验证实，KGN能维持大鼠髓核细胞的ECM合成并抑制分解代谢，随后制备了载KGN的金巯基环糊精明胶（Au-Gel-β-CD）水凝胶，该水凝胶可维持NPCs氧化还原稳态。Cheng等将含IL-4与KGN的聚乳酸-羟基乙酸微球注入大鼠退变椎间盘中，该微球可诱导巨噬细胞由M1型向M2型极化，发挥抗炎作用，同时上调Col-Ⅱ与蛋白多糖的表达。Yu等设计了一种载KGN纳米胶束，能向椎间盘稳定释放KGN，增强脂肪来源干细胞抗氧化与基质合成能力，还可促进其增殖、诱导NPCs分化以修复椎间盘形态。这些搭载KGN的支架尝试为椎间盘退变的微创、靶向修复提供可行的临床前支撑。

半月板       半月板根据血管分布将其外缘划分为“红-红-白”3个区域：其中血管化程度达10%～30%的“红区”具备自我修复能力，可通过缝合进行治疗；而缺乏血管的“白区”无法实现手术修复，往往需要部分或全部切除。正常的半月板通过嵌入胫骨髁间凹陷、缓冲股骨髁压力，起到稳定膝关节的作用。半月板缓冲功能的丧失，极易引发晚期膝OA。Huang等将KGN诱导后的兔肌腱组织回植兔体内，成功生成了表面光滑、呈白色状的类半月板组织。此外，Liu等将KGN和富血小板血浆与BMSCs一同搭载于生物纤维蛋白支架中形成水凝胶，修复了兔半月板“白区”损伤。Liu等受关节运动机制启发，设计出一种封装有KGN与双氯芬酸钠的水凝胶系统，该体系无需干细胞载体，在关节摩擦过程中可释放纳米脂质体，重新组装成水合层以润滑关节，同时持续释放KGN与双氯芬酸钠，抑制炎症并促进软骨再生。

肌腱-骨      肌腱-骨交界处存在一个数百微米的特殊插入区，该区域通过从肌腱到纤维软骨再到骨的渐进式结构过渡实现力学传导。然而肌腱与骨组织损伤后，修复的界面通常被力学性能较差的瘢痕组织所替代，这种结构改变正是导致再损伤风险增高的重要原因。Wang等提出，肱骨头处的附着是通过侵入并锚定于现有软骨形成牢固连接，而非简单贴附。既往对肌腱-骨界面损伤的治疗主要关注解剖形态的恢复，缺乏对附着点微观结构如何影响附着强度的考量。KGN有望重塑肌腱-骨修复的力学结构。Cai等将Exos负载于海藻酸钠水凝胶（SAH）中，应用于大鼠构建的慢性肩袖撕裂模型，造模4周后进行修复手术，并于损伤部位分别注射Exos-SAH、SAH以及KGN-Exos-SAH。在8周观察期内，KGN-Exos从SAH中的持续释放促进了软骨形成、胶原成熟及腱-骨交界处的再生。KGN-Exos组的生物力学性能增强，Col-Ⅰ与Col-Ⅲ比值显著提高，修复界面表现出（12.00±2.40）N的拉伸强度和（28.57±2.49）N/mm的刚度。

总结和展望

KGN作为一种颇具潜力的软骨再生制剂，在组织工程领域展现出巨大潜力。KGN能通过多条信号通路诱导软骨细胞分化与增殖，发挥抗炎、抗氧化作用，为软骨保护提供新方向。结合生物支架、Exos等载体材料可提升其生物利用度与靶向性（表1）。值得注意的是，成年软骨中的内源性祖细胞增殖与分化活性远低于软骨细胞数量更多、再生能力更强的小型哺乳动物；仅依靠动物实验，不足以证明其临床有效性；小型动物的急性损伤模型与大型动物慢性损伤模型在病理上存在区别；此外实验动物的运动器官与人类的解剖结构、生物力学特性差异大；此外KGN作为药物，在关节腔内浓度的动态监测，及支架材料与生物体的相容性仍需长期观察。未来要开发更有效、更安全的软骨再生治疗方案，还需进一步研究阐明KGN的作用机制、确定其最佳剂量方案、优化其与生物材料的联合应用。KGN及其衍生物有望在OA及其他软骨相关疾病治疗中发挥关键作用，成为再生医学领域的重要发展方向。

来源：中国修复重建外科杂志2026年3月第40卷第3期