抗溶胀自激活人工蛋白聚糖组装体：促进微骨折术后软骨内源性再生的软骨植入物

《Nature Communications》：Anti-swelling and self-activating artificial proteoglycan assemblies as cartilaginous implant for post-microfracture healing

本研究针对微骨折术后软骨植入物结构稳定性差和内源性激活不足的难题，开发了通过静电作用和共价结合依次共组装生物活性多糖、蛋白质和多肽而成的人工蛋白聚糖组装体（DSPG@Pep）。该植入体具备抗溶胀、抗压缩和抗降解特性，并能显著激活内源性干细胞招募和直接软骨分化，通过下调钙信号通路（如CACNA1G、AVPR1A等）和ECM-受体相互作用（如IBSP、COL4A2）减少骨化倾向。雄兔和猪的软骨缺损模型证实其能稳定固定于缺损部位并促进新软骨的结构功能重塑，为内源性软骨再生提供了有前景的生物材料设计策略。

　　

关节软骨损伤是骨科领域的常见难题，由于其自身有限的自我修复能力，损伤往往导致疼痛和功能障碍，并可能进展为骨关节炎。微骨折术（microfracture）是临床常用的修复技术，它通过在软骨下骨钻孔，诱导骨髓中的间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cells, MSCs）迁移至损伤部位，进而形成修复组织。然而，这种修复组织通常是机械性能较差的纤维软骨，而非透明的关节软骨，其长期效果不尽如人意。究其原因，一方面，植入的修复材料在关节液的动态环境中容易发生溶胀和降解，结构不稳定；另一方面，内源性的修复过程激活不足，难以有效引导干细胞向软骨细胞分化，甚至可能错误地走向骨化（ossification）通路。因此，开发一种能够稳定存在于缺损部位、并能主动引导内源性干细胞进行高质量软骨再生的新型植入物，成为了一个紧迫的研究方向。

受到天然软骨细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）中胶原纤维限制蛋白聚糖（proteoglycan）这一自然现象的启发，研究人员在《Nature Communications》上发表了一项研究，他们设计并构建了一种名为DSPG@Pep的人工蛋白聚糖组装体（artificial proteoglycan assemblies）。这种新型生物材料旨在克服现有软骨植入物的局限性，为微骨折术后的软骨再生提供一种更优的解决方案。

本研究主要运用了仿生分子组装技术，通过静电相互作用和共价结合，将生物活性多糖、蛋白质和多肽依次共组装，构建出核心材料DSPG@Pep。利用材料学表征方法（如扫描电镜、流变学测试）评估了其抗溶胀、抗压缩和抗降解的物理化学性质。通过体外细胞实验（包括细胞活力、迁移、分化实验）探究了DSPG@Pep对内源性干细胞招募和软骨向分化的影响。采用RNA测序（RNA-seq）、蛋白质印迹（Western blot）、免疫荧光染色等技术深入分析了其作用的分子机制，重点关注钙信号通路和ECM-受体相互作用相关基因（如CACNA1G, AVPR1A, IBSP, COL4A2）和蛋白的表达变化，并检测了胞内钙浓度和整合素β1（integrin β1）簇集情况。最后，研究建立了雄兔和猪的软骨缺损模型，通过大体观察、组织学染色（如苏木精-伊红染色、番红O固绿染色、免疫组化）和生物力学测试，在体内评估了DSPG@PPep的滞留能力及其促进新软骨结构和功能重塑的效果。

DSPG@Pep的仿生设计与性能表征

研究人员通过模拟天然蛋白聚糖的结构与功能，成功构建了DSPG@Pep。材料学测试表明，该组装体具有优异的结构稳定性，能够有效抵抗关节液环境下的溶胀、机械压缩和酶解降解，这为其长期稳定存在于软骨缺损处奠定了基础。

DSPG@Pep激活内源性软骨再生

体外实验结果显示，DSPG@Pep能显著促进内源性干细胞的迁移（招募）并诱导其直接向软骨细胞分化，显示出强大的促成软骨活性。这表明该材料能够主动调动和引导机体自身的修复资源。

分子机制：下调钙信号通路与ECM-受体相互作用以抑制骨化

深入的机制探讨揭示，DSPG@Pep的促成软骨作用与其调控特定信号通路密切相关。RNA测序分析发现，DSPG@Pep处理能下调钙信号通路相关基因（如CACNA1G, AVPR1A）和ECM-受体相互作用相关基因（如IBSP, COL4A2）的表达。进一步的验证实验表明，胞质钙离子浓度降低，整合素β1的簇集受到抑制。这些分子事件共同作用，降低了修复组织向骨组织分化的倾向，这一点通过骨化相关标志物（如EFEMP1, SCUBE3, SPARCL1）的下调得到证实。

大型动物模型验证DSPG@Pep的修复效能

在雄兔和猪的软骨缺损模型中，研究证实DSPG@Pep能够被稳定地固定在缺损部位，不易流失。组织学评估显示，DSPG@Pep治疗组的新生软骨组织在结构（更接近透明软骨）和功能（生物力学性能更优）上均优于对照组，实现了高质量的软骨再生。

综上所述，这项研究成功开发了一种具有抗溶胀和自激活功能的人工蛋白聚糖组装体DSPG@Pep。该材料不仅具备良好的生物稳定性和生物相容性，更能通过调控钙信号通路和ECM-受体相互作用，有效招募内源性干细胞并引导其向软骨方向分化，同时抑制不必要的骨化，从而促进微骨折术后高质量、结构功能完善的软骨再生。大型动物实验的成功验证了其临床转化潜力。这项研究不仅为软骨修复提供了一种创新的生物材料，更重要的是，它提出了一种通过仿生设计调控内源性修复过程的生物材料设计新策略，对软组织再生领域具有重要的启发价值。