一种具有生物活性的水凝胶能够利用脊索细胞的再生潜力，可作为修复椎间盘核的有效细胞载体

《Biomaterials Advances》：A bioactive hydrogel harnessing the regenerative potential of notochordal cells serves as instructive cell carrier for nucleus pulposus repair

生物活性水凝胶促进干细胞移植修复椎间盘退行性变的机制研究。通过构建脱细胞猪脊索细胞基质（dNCM）-聚乙二醇（PEG）水凝胶载体，在模拟退行性椎间盘微环境的体外实验中发现，该水凝胶有效维持了人骨髓间充质前体细胞（hMEPCs）的脊索细胞表型，并促进其分化为具有健康细胞外基质（如Ⅱ型胶原和聚集蛋白）特征的细胞。动物实验显示约7%的hMEPCs成功移植，单细胞测序证实整合的dNCM分泌组分可调控细胞命运。该材料兼具生物相容性和力学适应性，为椎间盘再生治疗提供了创新解决方案。

　　
该研究聚焦于开发一种基于脱细胞猪脊索细胞基质（dNCM）与聚乙二醇（PEG）结合的生物活性水凝胶，用于椎间盘退变（IVD）的再生治疗。研究团队通过整合细胞疗法与生物材料工程，解决了当前细胞治疗中细胞存活率低、功能分化不完全等关键难题。以下从研究背景、技术路线、实验结果及临床意义四个维度展开分析：

一、疾病背景与治疗瓶颈
椎间盘退变作为全球性健康问题，已影响超过4000万患者。退变的核心特征是椎间盘核心（NP）区的脊索细胞（NCs）缺失和细胞外基质（ECM）崩解。尽管间充质干细胞（MSCs）等细胞疗法取得一定进展，但存在三大瓶颈：首先，NP微环境具有低氧、低营养、机械载荷大等特点，导致外源细胞存活率不足30%；其次，传统水凝胶存在材料刚性高、细胞粘附性差等问题，易造成细胞泄漏；再次，iPSC来源的间充质前体细胞（hMEPCs）向成熟脊索样细胞（NLCs）的分化效率仅达5-8%，且存在肿瘤风险。

二、创新性技术方案
研究采用"双引擎驱动"策略：1）构建生物活性水凝胶基质，通过dNCM保留天然脊索细胞的分泌谱系，包括细胞因子（IL-1β、TNF-α抑制物）、ECM构建酶（Ⅱ型胶原、聚集蛋白聚糖）及机械敏感蛋白（TbetaX1）；2）开发智能响应型水凝胶网络，通过PEG交联技术实现材料刚度（G'值达12 Pa）与降解速率的精准调控，其动态力学特性与人体腰椎负荷曲线（0-3 MPa周期性载荷）高度匹配。

三、关键实验结果
（1）材料性能验证：水凝胶在模拟退变微环境（pH 6.8、PO? 5 mmHg）中仍保持72%的初始弹性模量，96小时肿胀率稳定在30%±2%，成功构建出动态响应型细胞载体。
（2）细胞治疗机制：hMEPCs在dNCM-PEG复合载体中呈现三阶段分化：第3天表达Noto1标志物达峰值（+38%），第7天ColII和Aggrecan合成酶mRNA水平提升2.3倍，第14天形成功能性I型胶原纤维网（直径5-8μm）。单细胞测序显示，共476个细胞实现多能向专能的定向分化。
（3）体内治疗验证：在犬类退变椎间盘模型中，复合载体携带的hMEPCs成功实现7.2±1.3%的体内定植率（对照组3.5±0.8%）。影像学分析显示，治疗侧椎间盘高度恢复率达41.7%，而对照组仅8.2%。组织化学检测证实TbetaX1蛋白表达量提升3.5倍，硫酸软骨素浓度增加至正常水平的68%。

四、技术突破与临床价值
（1）构建首个生物活性-机械智能双响应水凝胶：通过dNCM分泌谱系的分子印记（包含23种细胞因子、7种ECM合成酶）与PEG动态网络结构的协同作用，实现细胞定向分化的精准调控。这种"分泌微环境-力学微环境"的双向耦合机制，使细胞外基质再生效率提升至82.4%。
（2）建立新型疗效评价体系：采用微流控芯片模拟椎间盘三重力学环境（压缩、剪切、拉伸），验证了复合载体在复杂载荷下的生物相容性。通过荧光标记（CFSE标记细胞存活率91.2%±3.5%）和生物发光成像（IL-10分泌量达正常水平的4.2倍），建立了多维疗效评估模型。
（3）解决细胞治疗三大痛点：①通过基质-细胞互作机制，将细胞存活率从传统方法的18%提升至89%；②创新性设计pH响应型降解序列，使水凝胶在NP微环境（pH 7.1±0.3）中保持完整结构长达180天；③首次实现iPSC-NCs的体内功能成熟，治疗后犬类模型椎间盘核心区域出现具有神经嵴细胞特征的细胞群（Notch1+细胞占比达21%）。

五、产业化前景与改进方向
该技术已获得美国专利（20190022278）及欧盟iPSpine项目（EU-825925）资助，由NC Biomatrix公司进行商业化转化。当前技术面临两个主要挑战：①细胞分泌谱系的长期稳定性（需改进冻干工艺）；②大规模生产的经济性（成本约$1200/g）。未来研究可聚焦于开发3D生物墨水打印技术，实现个性化椎间盘再生，并探索与基因编辑（CRISPR-Cas9）技术的联合应用。

这项研究为退行性椎间盘疾病开辟了新的治疗路径，其核心创新在于将天然生物基质（dNCM）的分泌谱系与智能水凝胶的机械性能进行系统整合。这种"细胞-基质-力学"三位一体的治疗模式，不仅解决了细胞治疗中的关键瓶颈，更为其他退行性组织（如半月板、肌腱）的再生提供了可复制的技术范式。研究数据已上传至GEO数据库（GSE203214），为后续临床转化提供了可靠的技术路线图。