综述：间充质基质细胞负载水凝胶在组织再生中的潜力：来自临床前和临床研究的见解

本综述系统探讨了间充质基质细胞（MSCs）与水凝胶（Hydrogel）结合在组织再生领域的最新进展。文章重点分析了水凝胶如何通过模拟细胞外基质（ECM）的3D微环境增强MSCs存活率、保留能力及功能表达，并详细讨论了其在心血管、骨软骨、神经及皮肤等组织修复中的应用潜力与临床转化挑战。

　　

水凝胶特性增强MSC功能

水凝胶通过提供仿生三维微环境显著提升间充质基质细胞（MSCs）的治疗效果。这种类细胞外基质（ECM）环境不仅支持细胞存活与植入，还调控其旁分泌和免疫调节功能。水凝胶的机械性能（如刚度、孔隙率）和生化特性直接影响MSCs的行为——较软的水凝胶（1–10 kPa）促进脂肪或神经分化，而较硬基质（25–40 kPa）则倾向诱导成骨分化。孔结构影响营养扩散和细胞迁移，表面几何特征（粗糙度、微纳米拓扑）通过细胞骨架组织调控干细胞命运。

水凝胶可通过整合生物活性分子进一步增强功能，例如ECM衍生肽（RGD、层粘连蛋白）、生长因子（VEGF、FGF-2、BMP-2）和糖胺聚糖（透明质酸、硫酸软骨素）。这些分子促进细胞黏附、激活整合素信号通路并增强再生性细胞因子分泌。可注射水凝胶（如藻酸盐、胶原、明胶、透明质酸基）支持微创给药、原位凝胶化和适应不规则组织缺损，确保MSCs的精确定位与保留。

脱细胞ECM来源的水凝胶因其高度仿生性受到关注，但其机械强度弱和批次间差异限制了临床转化。为此，生物混合系统（ECM与合成聚合物结合）应运而生，例如结合聚己内酯（PCL）与ECM的水凝胶在骨缺损模型中促进血管长入和组织整合。刺激响应型“智能水凝胶”能依据pH、温度或酶活性等环境触发因子控制细胞或生物活性分子的释放，从而延长治疗作用并支持组织重塑。

电荷工程化策略进一步拓展水凝胶功能：例如肝素化引入阴离子结合域或阳离子基团嵌入可非共价捕获核酸（microRNA、mRNA、质粒DNA），形成基因激活水凝胶，延长局部因子滞留并扩增MSCs的旁分泌活性。尽管前景广阔，水凝胶策略仍面临降解速率与组织愈合时间匹配、天然聚合物批次差异以及合成材料缺乏生物活性等挑战。未来需开发符合GMP标准、可临床推广的现成水凝胶-MSC制剂，并整合细胞外囊泡（EVs）或基因编辑工具以增强治疗效力。

旁分泌信号与免疫调节

MSCs负载水凝胶的核心作用机制是通过旁分泌信号和免疫调节而非直接分化实现组织修复。封装于水凝胶中的MSCs分泌多种生物活性因子，包括生长因子（VEGF、HGF、TGF-β）、细胞因子（IL-10、TSG-6）和细胞外囊泡（外泌体），共同促进血管生成、减少纤维化并调节免疫反应。水凝胶基质作为保护性微环境，延长MSCs存活时间并维持这些治疗因子的持续释放，显著提高局部生物利用度。

关键优势在于调控巨噬细胞极化——从促炎M1表型转向抗炎M2表型，这对糖尿病伤口或心肌梗死等慢性炎症状态的缓解至关重要。水凝胶可进一步通过整合免疫调节剂（如IL-4、IFN-γ）或ECM成分以协同增强MSCs分泌作用。然而，MSCs分泌组存在供体差异和培养条件导致的变异性，且部分旁分泌因子活性短暂。未来策略可能涉及基因修饰MSCs以过表达特定因子，或采用具有可控释放动力学的合成水凝胶以优化免疫调节效果。

水凝胶基MSC疗法的临床前研究

临床前研究在多种疾病模型中验证了水凝胶-MSC系统的治疗潜力，其效果高度依赖于生理微环境特性。

在缺血与缺氧环境中（如心肌和椎间盘），水凝胶提供代谢缓冲支持MSCs存活。例如大鼠心肌梗死模型中，沃顿胶ECM水凝胶增强MSCs植入，改善左心室功能、减少纤维化并刺激血管新生；藻酸盐-RGD水凝胶提高细胞留存率及毛细血管密度。山羊椎间盘退化模型中，透明质酸水凝胶恢复椎间盘高度并降低炎症。

神经抑制性瘢痕微环境中，水凝胶调控小胶质细胞和巨噬细胞以克服再生障碍。BMP7纳米颗粒温敏水凝胶促进MSCs神经元分化、减少胶质瘢痕并改善脊髓损伤大鼠运动功能；透明质酸水凝胶控制CCL2释放以保留脊髓结构并诱导巨噬细胞向再生表型极化。

高免疫活性组织（如皮肤和肠道）中，水凝胶延长旁分泌信号并重塑免疫反应。糖尿病小鼠模型中水凝胶支架加速伤口闭合，激活PI3K/AKT通路促进角质细胞迁移和血管生成；硫醇化透明质酸水凝胶减轻特应性皮炎炎症；含类肝素硫酸盐模拟物（RGTA^?）水凝胶保留MSCs免疫调节能力，修复辐射诱导结肠损伤。

机械要求高且无血管组织（如软骨和骨）中，水凝胶提供结构整合与力学支持。兔软骨缺损模型中，泊洛沙姆407温敏水凝胶促进透明样软骨形成；纳米酶功能化双层水凝胶（上层GelMA-软骨诱导层，下层OHA-ADH-MnO₂抗氧化层）同步修复软骨和软骨下骨。基因激活支架（如负载TGF-β1质粒的PLGA-纤维蛋白凝胶）显著增强软骨ECM沉积；BMP-2基因递送系统在啮齿类模型中促进成骨。符合GMP标准的临床导向制剂（如富集骨颗粒的纤维蛋白基质）展示良好生物相容性与早期骨生成能力。

免疫敏感特化组织（如声带和胰腺）要求最小化免疫激活。兔声带瘢痕模型中，单独MSCs改善黏弹性恢复，但与透明质酸水凝胶（HyStem-VF）联用反而触发炎症；PEG-肝素冷冻凝胶共同递送胰腺胰岛与MSCs，延长小鼠移植存活并维持胰岛素分泌。

安全性及转化考量方面，血小板裂解物纤维蛋白水凝胶在免疫活性大鼠中显示良好生物相容性，无急性炎症或异位组织形成，突显其作为先进治疗医学产品（ATMPs）的转化潜力。

水凝胶基MSC疗法的临床研究

临床转化研究仍处于早期阶段，但已有试验展示出应用前景。

心血管再生领域，一项多中心随机对照试验（114例慢性缺血性心脏病患者）显示，MSCs与胶原支架联合冠状动脉旁路移植术显著改善心肌灌注、左心室射血分数（LVEF）和6分钟步行距离，且安全性良好。

皮肤瘢痕修复中，随机双盲试验使用脐带源MSCs与透皮水凝胶制剂改善剖腹产瘢痕，6个月时显示瘢痕厚度减少和胶原重塑趋势，但未达统计显著性，治疗耐受性良好。

关节软骨修复方面，开放标签试验中脐带血MSCs与透明质酸水凝胶复合物关节内注射治疗膝骨关节炎，7年随访显示疼痛与活动度持续改善，并伴类透明软骨再生。

糖尿病伤口愈合个案报告中，胎盘源MSCs与水凝胶基质局部应用加速难治性足溃疡肉芽组织生成和再上皮化，提示局部免疫调节与再生潜力。

正在进行中的临床试验进一步拓展应用范围：如NCT03113747探索异体脂肪MSCs与血小板贫血浆纤维蛋白水凝胶治疗烧伤；EudraCT 2021-002331-34评估脂肪MSCs-透明质酸水凝胶治疗大便失禁；NCT06028763开发踝关节软骨缺损注射型水凝胶-MSCs复合物；EudraCT 2024-512977-28-01测试自体骨髓MSCs与水凝胶-聚合物支架修复股骨髁软骨损伤；NCT06533150则开发基于GelMA-PLGA的生物墨水用于颅面骨再生3D生物打印。这些试验共同凸显水凝胶-MSC系统在再生医学中的多样化应用与转化进展。

潜在研究缺口与未来方向

当前研究仍存在多个关键科学缺口：缺乏水凝胶组成、力学性能及降解速率的标准化方案；MSCs长期存活、植入与功能整合的临床数据不足；水凝胶微环境调控MSCs旁分泌机制的认识尚不深入；植入物免疫反应（如异物反应或非预期免疫调节）需进一步探讨；不同MSCs来源（自体vs异体）和制备工艺的差异影响治疗一致性；监管与伦理框架仍需明晰以支持临床转化。

未来研究应聚焦开发智能响应型水凝胶，动态调控微环境以优化MSCs行为；推进大规模随机对照试验验证安全性与长期疗效；整合3D生物打印与基因编辑实现个性化构建；深入解析水凝胶中MSCs免疫调节机制；并建立适应细胞-生物材料组合产品的标准化生产与监管路径，最终推动其向组织再生临床应用的广泛转化。