《Journal of Orthopaedic Reports》：Physical Characteristics and Chondrogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells on Freeze-Dried Bovine Cartilage Sponge in Bioreactor Culture: A Systematic Review and Meta-Analysis.
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本综述系统分析发现，生物反应器动态培养相比静态培养能显著提升间充质干细胞（MSC）在冻干牛软骨海绵（FDBCS）上的软骨形成，表现为硫酸化糖胺聚糖（sGAG）和SOX9基因表达显著增加（SMD 4.42；95% CI 2.46–6.38；I2=0%），并改善细胞分布与细胞外基质（ECM）沉积，但COL10A1表达升高提示存在肥大化风险，为软骨组织工程优化提供了重要依据。
引言
关节软骨是一种特化的无血管组织，由于其细胞密度低且代谢活性弱，自我修复能力有限。无论是创伤还是退行性过程造成的软骨损伤，常常导致慢性疼痛、关节功能障碍以及骨关节炎风险增加。传统的治疗策略，包括关节镜清创、微骨折和自体骨软骨移植，往往难以恢复天然软骨的结构和生物力学完整性，导致长期疗效不佳。组织工程已成为一种有前景的替代方案，它整合了支架、干细胞以及生化或生物力学刺激来再生类软骨组织。在支架材料中，冻干牛软骨海绵（FDBCS）展现出良好的特性，包括生物相容性、可生物降解性、高孔隙率，以及支持间充质干细胞（MSC）增殖和软骨分化的能力，甚至在无外源性生长因子条件下也能诱导关键软骨形成转录因子如SOX9和RUNX2的表达。
然而，软骨组织工程中常用的静态培养条件无法复制天然的生理微环境。其局限性包括营养和氧气扩散不足、细胞分布不均以及机械刺激不足，这些都损害了MSC的分化和细胞外基质（ECM）的沉积。使用生物反应器的动态培养系统可以提供受控的机械刺激（如灌注、循环压缩、剪切应力和动态拉伸）并结合改善的质量传输，从而共同增强细胞活力、增殖和软骨形成基因表达。
尽管已有众多研究探讨MSC在FDBCS上的软骨形成，但目前缺乏对动态生物反应器培养与静态培养进行定量比较的系统性综述。现有证据较为零散，在支架类型、机械刺激方案和结局指标方面存在差异，限制了结果的可重复性和转化潜力。
方法
本研究根据PRISMA 2020指南进行系统综述和荟萃分析。研究问题采用PICO框架制定，旨在比较间充质干细胞（MSC）在冻干牛软骨海绵（FDBCS）或等效支架上，于生物反应器与静态培养条件下的软骨形成情况。
纳入标准为比较性体外或实验研究，评估接种在FDBCS或等效海绵（胶原、纤维蛋白-聚氨酯、PCL）上的MSC在生物反应器与静态培养下的情况，报告至少一种软骨形成生物标志物（sGAG, SOX9, COL2A1, COL10A1, MMP13）或支架物理特性，有全文可用，且发表于2020年至2025年之间。排除标准包括综述、社论、研究方案、非比较性研究、数据不完整、重复发表或缺乏相关结局指标的研究。
检索了MEDLINE (PubMed)、Cochrane CENTRAL和ScienceDirect等数据库，时间范围为2020年至2025年。检索策略结合了自由词和医学主题词（MeSH），使用布尔运算符。由两位评审员独立使用Rayyan筛选标题和摘要，使用Mendeley去除重复文献。对可能符合条件的文章进行全文审查，分歧由第三位评审员解决。
数据由两位评审员使用标准化Excel表格独立提取，内容包括作者、年份、国家、MSC类型（人/动物）、支架类型、生物反应器类型/方案、培养持续时间、结局指标（sGAG, SOX9, COL2A1, COL10A1, MMP13, 支架形态, ECM沉积）和汇总统计量（均值±标准差）。使用WebPlotDigitizer对图形数据进行数字化；若数据缺失则联系原作者。
随机研究使用RoB 2.0工具评估偏倚风险；非随机研究使用ROBINS-I工具评估。评估领域包括分配、偏离既定干预措施、缺失数据、结局测量和选择性报告。由两位评审员独立评估偏倚，分歧由第三位评审员解决。
使用RevMan 5.3软件进行荟萃分析。连续性结局以标准化均值差（SMD）及其95%置信区间（CI）表示。采用I2统计量评估异质性；若I2<50%则使用固定效应模型，否则使用随机效应模型。进行了敏感性分析，包括替代效应量和模型，以及排除高偏倚风险研究。对共享的对照组进行了相应调整。计划进行亚组分析，包括MSC来源（人源 vs 动物源）和支架类型。
对于数据不完整或不清楚的研究，若相关则进行定性描述，但不纳入定量合成。所有方法，包括纳入/排除标准、结局指标和统计分析，均在方案中预先定义以确保可重复性。使用标准化单位以方便研究间比较。
结果
研究筛选与特征
共有四项比较性体外研究符合纳入标准。其中两项研究使用人骨髓来源的MSC（hBM-MSCs），两项使用兔MSC。采用的生物反应器系统包括灌注生物反应器、施加压缩和剪切的多轴机械波生物反应器（MWB）以及动态拉伸系统。使用的支架包括胶原海绵（I型）、纤维蛋白-聚（酯-氨酯）海绵和静电纺丝PCL/ECM支架。
荟萃分析结局
森林图显示了各结局指标的对比结果。单位和尺度保持一致：sGAG含量单位为μg/μg DNA，基因表达为相对于看家基因的倍数变化。
生物反应器培养显著增加了硫酸化糖胺聚糖（sGAG）含量（SMD 4.42；95% CI 2.46–6.38；p<0.00001；I2=0%），表明动态培养在促进蛋白聚糖合成方面优势明显。
同时，生物反应器培养也显著提高了关键软骨形成转录因子SOX9的表达水平（SMD 2.05；95% CI 0.66–3.43；p=0.004；I2=29%）。
然而，对于肥大软骨细胞标志物COL10A1，生物反应器培养也导致其表达显著升高（SMD 2.82；95% CI 1.69–3.95；p<0.00001），但异质性较高（I2=84%）。
至于II型胶原（COL2A1）和基质金属蛋白酶13（MMP13）的表达，生物反应器与静态培养之间的差异无统计学意义（COL2A1: SMD 0.31，95% CI -0.81–1.44，p=0.58；MMP13: SMD 1.06，95% CI -0.06–2.18，p=0.06），且异质性均较高（I2分别为73%和77%），结果不一致。
支架形态学
动态生物反应器培养改善了细胞分布、ECM沉积和蛋白聚糖保留。
支架的孔径（约45–300 μm）保持稳定，但细胞定植更为均匀。
孔隙率和连通性增强，有利于营养扩散。
ECM沉积更厚且更均匀，番红O染色结果支持这一结论。
定性观察表明，微观结构完整性、推断的压缩模量和抗变形能力有所改善，尽管定量的力学测试数据有限。
总结
动态生物反应器培养MSC接种的FDBCS海绵能显著增强早期软骨分化标志物（sGAG, SOX9）并改善支架质量。晚期标志物（COL10A1）表达增加，而COL2A1和MMP13结果存在异质性，这凸显了为临床转化优化机械参数和培养持续时间的必要性。
讨论
本系统综述和荟萃分析表明，与静态培养条件相比，动态生物反应器培养显著增强了早期软骨形成标志物，特别是sGAG和SOX9。这些效应很可能由受控的机械刺激（如灌注、循环压缩、剪切应力和动态拉伸）结合改善的营养和氧气传输所介导。此类机械信号激活机械转导通路，包括TGFβ/Smad和MAPK/ERK信号通路，从而促进软骨分化所必需的转录程序。
COL10A1表达在生物反应器培养中持续升高，表明存在软骨细胞肥大化。虽然肥大化在骨软骨或软骨内成骨模型中可能有益，但对于需要维持透明软骨表型的关节软骨再生而言则构成挑战。缓解策略可能包括优化负荷大小和频率、维持受控的低氧环境（2–5% O2）、调节生长因子（如TGFβ和IGF1）以及改进支架设计以防止过早肥大。
COL2A1和MMP13的结果在不同研究间存在差异，反映了支架成分（胶原、PCL、纤维蛋白-聚氨酯）、培养时间和生物反应器方案的不同。这些不一致性凸显了标准化报告培养参数、标准化方法和统一实验设计以提高可重复性的必要性。
形态学发现一致表明，基于生物反应器的支架促进了更均匀的ECM沉积、增强了蛋白聚糖保留并改善了微观结构组织。这些改进暗示工程化构建体可能具有潜在的功能益处。然而，缺乏定量的生物力学评估（如压缩、拉伸和粘弹性测试）限制了对支架机械性能得出明确结论。
从转化角度看，动态生物反应器培养有望产生更成熟、更均匀的软骨构建体，适用于植入。然而，严格控制肥大化并进行体内验证对于确保长期表型稳定性、在缺损部位的整合以及在生理负荷下的功能表现仍然至关重要。未来的研究应侧重于标准化生物反应器方案、定量力学测试和临床验证，以优化MSC接种FDBCS的治疗潜力。
利益冲突声明
所有作者声明与本研究无关的任何财务或非财务利益冲突。
伦理声明
本研究是一项系统综述和荟萃分析，仅综合了先前已发表科学文章的数据。未进行涉及人类参与者、动物主体或可识别患者数据的新实验。本综述中包含的所有原始研究均已获得其各自机构审查委员会或伦理委员会的批准。因此，本研究不需要单独的伦理批准，也未对人类或动物主体进行任何干预或直接数据收集。
作者贡献
- 1.
Arham Adnani：概念化，方法论，数据库检索，研究筛选，数据提取，统计分析，可视化，初稿撰写。
- 2.
Dwikora Novembri Utomo：监督，方法学指导，批判性审阅，数据解释，验证，文稿审阅编辑，项目管理。
- 3.
Jeffry Andrianus：文献检索，数据提取，质量评估，数据管理，文稿审阅编辑。
- 4.
所有作者均审阅并批准了稿件的最终版本，并同意对工作的所有方面负责。
资金来源
本研究未获得任何资助。
