DNA-SF水凝胶缓释系统构建的软骨类器官加速软骨再生研究

本研究针对软骨修复周期长、效果不佳的临床难题，开发了基于DNA-丝素蛋白(DNA-SF)水凝胶缓释系统(DSRGT)，通过共价接枝氨基葡萄糖(Glu)和TD-198946构建软骨类器官(COs)。采用数字光处理(DLP)3D生物打印技术成功制备毫米级COs，证实4周培养的COs通过上调MAPK信号通路实现8周内软骨再生，为软骨缺损修复提供创新策略。

　　

软骨修复的困境与突破
关节软骨损伤是导致全球数亿人残疾的主要病因，传统治疗方法如微骨折术和软骨移植存在修复周期长、整合效果差等局限。尽管生物材料研究取得进展，但依赖内源性细胞募集的过程仍难以实现高效再生。类器官技术的出现为这一难题带来转机——这种由干细胞定向分化形成的三维微组织，能够模拟天然器官的结构功能，成为再生医学的新希望。

上海大学转化医学研究院的研究团队创新性地将药物缓释系统与类器官技术相结合，在《Military Medical Research》发表的研究中，开发出具有时空控释功能的DNA-SF水凝胶系统(DSRGT)。该系统通过丙烯酸-聚乙二醇-琥珀酰亚胺酯(AC-PEG-NHS)共价接枝Glu和TD-198946，前者作为软骨基质前体促进糖胺聚糖(GAG)合成，后者作为高效软骨诱导剂抑制纤维化和肥大化分化。结合数字光处理(DLP)打印技术，成功构建出具有层级结构的毫米级软骨类器官。

关键技术方法
研究采用DLP打印技术制备含骨髓间充质干细胞(BMSCs)的DSRGT三维结构；通过核磁共振(NMR)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)验证药物接枝效果；建立大鼠股骨滑车软骨缺损模型评估修复效果；运用转录组测序分析MAPK等信号通路激活机制；采用免疫荧光(IF)和免疫组化(IHC)检测软骨特异性标志物表达。

主要研究发现
合成与表征DSRGT
通过双网络结构设计，DSRGT展现出61.9%的孔隙率和277.6μm的平均孔径，流变测试显示储能模量(G')高于损耗模量(G")。缓释实验证实Glu和TD-198946可持续释放4周，突破传统水凝胶的突释局限。

COs培养与评估
4周培养的COs表现出最优软骨表型：SOX9表达量较对照组提高3.2倍，II型胶原(Col II)和聚集蛋白聚糖(ACAN)表达达峰值，而I型胶原(Col I)和X型胶原(Col X)保持低水平。转录组分析显示2-4周为关键分化期，MAPK和TGF-β通路显著激活。

体内软骨修复验证
在大鼠模型中，COs移植组8周时国际软骨修复协会(ICRS)评分达10.08±0.79，显著高于单纯水凝胶组。原子力显微镜(AFM)显示再生软骨表面粗糙度(Ra)接近正常组织。组织学分析证实COs组形成典型软骨陷窝结构，Col II沉积量较对照组提高4.3倍。

机制解析
基因富集分析揭示COs通过上调ERK/p38/JNK通路促进修复，Western blot验证磷酸化ERK(p-ERK)水平增加2.8倍。转录因子分析发现Forkhead家族与SOX9协同调控软骨分化。

研究启示
该研究首次实现药物缓释系统与类器官技术的融合创新：

1. 突破传统生物材料依赖内源修复的局限，将修复周期缩短至8周
2. 创建标准化COs培养体系，4周培养可获得稳定透明软骨表型
3. 揭示MAPK通路在COs介导修复中的核心作用，为靶向治疗提供新依据
   未来可通过整合力学响应元件优化COs力学性能，并探索其在骨关节炎(OA)模型中的应用。这项研究为软骨再生提供全新范式，相关技术已申请PCT专利保护。