"魔芋葡甘聚糖复合水凝胶搭载外泌体通过激活NRF2通路修复软骨缺损：微环境调控与再生医学新策略"

本研究针对软骨缺损修复中氧化应激微环境失衡和炎症反应加剧的难题，开发了一种基于天然魔芋葡甘聚糖(KGM)的可注射复合水凝胶(Exos@EKM)。通过将骨髓间充质干细胞外泌体(Exos)与表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)共载于甲基丙烯酸化KGM(KGMMA)中，该材料不仅能清除活性氧(ROS)，还能通过NRF2通路激活内源性抗氧化系统，同时调控巨噬细胞向M2型极化。动物实验证实该水凝胶显著促进全层软骨缺损再生并恢复关节功能，为软骨组织工程提供了新型天然多糖基生物材料设计方案。

　　

关节软骨损伤是临床常见难题，由于软骨组织无血管、无神经的特性，其自我修复能力极其有限。创伤或骨关节炎引发的软骨缺损往往伴随局部微环境恶化——过量的活性氧(ROS)不仅直接破坏细胞外基质(ECM)，还会诱发炎症级联反应，形成氧化应激与慢性炎症的恶性循环。传统治疗方法如非甾体抗炎药(NSAIDs)仅能缓解症状，而现有生物材料多聚焦于单一修复功能，难以同时应对微环境失衡和促进再生双重挑战。

针对这一瓶颈问题，南通大学附属医院骨科与中国人民解放军联勤保障部队第941医院运动医学科的研究团队创新性地将天然植物多糖的生物学特性与外泌体治疗优势相结合，开发出具有多重协同效应的Exos@EKM复合水凝胶。相关研究成果发表在《Regenerative Biomaterials》上，为软骨再生提供了"清除-激活-递送-调控"四位一体的解决方案。

研究团队采用三大关键技术方法：(1)通过甲基丙烯酸酐(MA)改性制备光交联KGMMA水凝胶；(2)梯度离心法提取骨髓间充质干细胞(BMSCs)来源外泌体(Exos)，经透射电镜(TEM)和Western blot验证其特性；(3)建立大鼠全层软骨缺损模型评估体内修复效果，采用Micro-CT和组织学分析(苏木精-伊红/HE、番红O/SO、甲苯胺蓝/TB染色)定量再生质量。

3.1 可注射EKM水凝胶的制备与表征
研究首先通过甲基丙烯酸化反应赋予KGM光交联特性，FT-IR和¹
H-NMR证实KGMMA成功合成。引入EGCG后形成的EKM水凝胶呈现均匀多孔结构，压缩模量显著提升（图2E）。流变测试显示储能模量(G')高于损耗模量(G")，证实其良好的机械稳定性。特别值得注意的是，DPPH自由基清除实验表明EKM3组清除率高达100%（图2I-J），且降解速率随EGCG含量增加而降低（28天降解率16.5%）。

3.2 外泌体负载与细胞应答
透射电镜显示BMSCs来源Exos呈典型杯状结构（图3A），粒径分析显示126.6±47.3nm（图3C）。将250μg/mL Exos负载于EKM水凝胶后，活死染色证实其良好生物相容性（图3F-G）。Transwell实验显示荧光标记的Exos可被软骨细胞高效内化（图3E），CCK-8检测表明Exos@EKM组细胞增殖活性较对照组提升2.1倍（图3H）。

3.3 抗氧化与软骨保护机制
在200μM H₂
O₂
诱导的氧化应激模型中，Exos@EKM使软骨细胞ROS水平降低68%（图4D-E），线粒体膜电位恢复近正常（图4F-G）。Western blot揭示该水凝胶可显著上调NRF2及其下游靶点HO-1、SOD1表达（图4J-K）。当使用NRF2特异性抑制剂ML385处理后，水凝胶促ECM分泌作用被显著抑制（图6D,G），证实NRF2-ARE通路的关键作用。

3.4 免疫微环境重塑
qPCR分析显示Exos@EKM使巨噬细胞M1标志物(iNOS、TNF-α)表达降低3-5倍，同时提升M2标志物(Arg-1、IL-10)表达2-3倍（图7C）。免疫荧光显示iNOS⁺
细胞比例从45.2%降至12.7%，而Arg-1⁺
细胞比例从18.3%升至53.6%（图7A-B）。

3.6 体内修复效果评估
大鼠全层软骨缺损模型显示，Exos@EKM组8周时新生软骨组织COL-2阳性率达82.3%，显著高于对照组的24.5%（图9C-D）。Micro-CT显示骨体积分数(BV/TV)提升至0.38±0.03（图9B），步态分析证实关节功能基本恢复（图10）。组织学评分显示Mankin评分从11.2降至3.4（图8C），免疫组化证实缺损区NRF2表达量较对照组高4.7倍（图9D）。

该研究突破性地实现了天然多糖基材料的多功能集成：KGM与EGCG通过协同抗氧化作用打破ROS-炎症恶性循环；光交联特性使水凝胶精准适配不规则缺损；Exos持续释放促进软骨ECM再生。特别重要的是，研究首次阐明KGM通过NRF2通路激活内源性抗氧化防御的分子机制，为天然多糖在组织工程中的应用提供了理论支撑。这种"微环境调控-细胞递送"双管齐下的策略，不仅为软骨修复提供新思路，也为其他难愈性组织再生提供了可借鉴的研究范式。