从生物制造到临床前转化：3D生物打印水凝胶策略修复透明软骨的动物模型系统评价

《Journal of Orthopaedic Translation》：From biofabrication to preclinical translation: a systematic review of animal models for 3D-bioprinted hydrogel strategies in hyaline cartilage repair

背景：透明软骨（hyaline cartilage）内在再生能力有限，使关节缺损修复成为重大临床挑战。三维（three-dimensional，3D）生物打印能够制造具有受控结构、组成和细胞分布的水凝胶（hydrogel）构建体。
方法：根据系统评价和荟萃分析首选报告条目（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses，PRISMA）指南，对2017年至2025年发表的评估3D生物打印水凝胶用于关节软骨修复的原位体内研究进行综述。研究人员分别针对软骨缺损（chondral defects）和骨软骨缺损（osteochondral defects）分析生物制造策略、细胞成分、动物模型、再生结局和偏倚风险（risk of bias）。
结果：纳入27项研究。蛋白质和多糖占主导。挤出式生物打印（extrusion-based bioprinting，EBB）是最常见技术，骨髓来源间充质干细胞（bone marrow-derived mesenchymal stem cells，BMSCs）为主要细胞类型。小动物模型占软骨缺损研究的70%和骨软骨缺损研究的94.1%。所有研究均报告组织学，而生物力学结局分别仅在10%和23.5%中评估。功能恢复在11.8%的骨软骨研究中评估，而微计算机断层扫描（micro-computed tomography，micro-CT）在58.8%中评估软骨下骨结局。偏倚风险评估在分配隐藏、随机饲养、照护者和研究者盲法以及随机结局评估方面主要产生不明确判断。
结论：3D生物打印水凝胶在关节软骨修复中显示前景。然而，转化仍受设计异质性、小动物模型占主导、报告不完整以及生物力学和功能验证不足的限制。
本文转化潜力：本综述确定临床转化的关键障碍，包括依赖小动物模型、报告不完整以及生物力学和功能验证有限。未来策略应从早期开发整合临床相关模型、标准化结局和制造可行性。

论文解读：该综述由Ana Isabel Rodríguez-Cendal等完成，围绕3D生物打印水凝胶策略修复透明软骨（hyaline cartilage）的动物模型进行系统评价。研究背景：透明软骨是覆盖关节表面的黏弹性结缔组织，可分为浅层、中层、深层和钙化层；其软骨细胞数量低、增殖有限，且无血管和神经，因此自我再生能力差。国际软骨修复学会（International Cartilage Repair Society，ICRS）将局灶性软骨损伤分为0—4级，3级和4级通常需手术干预。现有治疗包括骨髓刺激、细胞再生、骨移植、软骨细胞植入、马赛克成形或同种移植等，但存在修复质量差、供体有限、存活率低或手术损伤等问题。3D生物打印可制造定制支架，模拟天然组织结构和功能，但既往综述多关注生物墨水组成、生物材料或打印技术。该综述的新颖性在于仅纳入受控的原位体内研究，分析完整生物制造策略、动物模型、随访、再生结局和偏倚风险，并将软骨缺损与骨软骨缺损分开评价，以识别临床转化限制。

关键技术方法（≤250字）：研究人员依据PRISMA指南，在Scopus、Web of Science Core Collection（含Science Citation Index Expanded）、PubMed/MEDLINE和Embase via Ovid检索2017—2025年英文原创研究，纳入使用3D生物打印、水凝胶或生物墨水作为主要结构或细胞递送组分、针对关节软骨或骨软骨缺损、原位动物模型、有对照且评估软骨修复/再生的研究。数据提取涵盖水凝胶组成与实验组、生物打印特征、动物模型、细胞特征和再生结局；图形数值用WebPlotDigitizer v5估计；采用SYRCLE（Systematic Review Centre for Laboratory Animal Experimentation）工具评估偏倚。样本来源为上述数据库文献，非人类队列。

研究结果：3.1 研究选择：数据库检索324条，去重146条，筛选178条，排除135条，全文评估43篇，排除16篇，最终纳入27项。3.2 纳入研究一般特征：27项中10项软骨缺损、17项骨软骨缺损，发表于2017—2025年；生物材料、细胞、动物、随访和结局异质性大，因此分开分析。3.3 偏倚风险评估：SYRCLE评估显示基线特征最好，24项低风险；序列生成16项低风险；分配隐藏22项不清、随机饲养25项不清、照护者/研究者盲法26项不清、随机结局评估27项均不清；结局评估者盲法17项不清、10项低风险；不完整结局10项低、9项不清、8项高；选择性报告全部不清；其他偏倚19项低、3项不清、5项高。3.4 生物墨水组成与性质：3.4.1 软骨缺损中蛋白和多糖各占70%，合成聚合物50%，无机/矿物20%，无ECM来源；Gel 50%、Fib和HA各40%、ALG 20%、PPI和SF各10%、PCL 50%、HNT和HAp各20%；甲基丙烯酸酯化30%；功能化50%，包括PLGA递送GDF5、TGF-β3和BMP-4、p16-siRNA、RO提取物、glucosamine和TD-198946，以及软骨类器官20%。3.4.2 骨软骨缺损中多糖64.7%、蛋白58.8%、无机/矿物41.2%、合成35.3%、ECM 17.6%；包括GelMA、SF/SF-MA、MeCol I/II、HAMA、ALG、GG、MC、CS-AEMA、CS-MA、FGMA、TOCN、Ac-β-CD、DCM、DBM、dECM、TDM、PCL、P(SBMA-co-PEGDA)/P(NIPAM-co-SBMA)、β-TCP、HAp、nHAp、Li-Mg-Si、ZrO₂；甲基丙烯酸酯化76%；功能化52.9%，包括TGF-β1/BMP-2、PTH、KGN、DC、KGN+MLT、TGF-β1、TA、TGF-β1+FGF-18、MT-sEVs和ASC球体，无微球/微粒。3.5 生物打印技术和交联方法：3.5.1 软骨中EBB 70%、DLP 20%、注射10%；凝血酶40%、转谷氨酰胺酶10%、光交联30%、离子交联20%。3.5.2 骨软骨中EBB 88.2%，包括细胞写入、机器人原位、DLP 23.5%；光交联76.5%、凝血酶23.5%、离子23.5%、物理凝胶5.9%，部分组合。3.6 细胞组成：3.6.1 软骨全部含细胞，BMSCs 50%、UCB-MSCs 10%、SMSCs类器官10%、软骨细胞20%、ATDC5 10%；异种50%、同种20%、3项不明、无自体；密度1×10⁶—1×10⁷ cells/mL。3.6.2 骨软骨88.2%含细胞、2项无细胞；BMSCs 52.9%、软骨细胞29.4%、ADSCs/ASCs 17.6%、SMSCs/FPSCs/iPSC-SOX9+各5.9%；有球体和类器官；异种11.8%、同种52.9%、4项不明；密度1×10⁶—1×10⁸ cells/mL，常见1×10⁷和约2×10⁶。3.7 动物模型：3.7.1 软骨中小动物70%，兔50%、大鼠20%，大动物30%包括羊、Wuzhishan小型猪、猪；雄性70%、雌性10%、未报20%；缺损多位于股骨远端；随访4周至6个月。3.7.2 骨软骨中小动物94.1%，兔52.9%、大鼠41.2%、山羊5.9%；雄性47.1%、雌性11.8%、未报41.2%；76.5%缺损位于股骨远端滑车/髌股区；随访4周至6个月，12周最常见。3.8 体内模型主要结局：3.8.1 软骨中组织学/免疫组化100%、数值评分90%、局部炎症40%、影像20%、机械10%、系统安全10%，无标准步态/功能评估；主要治疗组多优于对照，但机械和功能证据有限。3.8.2 骨软骨中组织学100%、免疫94.1%、评分82.4%、micro-CT 58.8%、定量骨参数52.9%、机械23.5%、功能/步态11.8%、炎症11.8%、安全5.9%、额外影像23.5%；主要治疗组改善软骨形态和软骨下骨，但各结局很少在同一研究中协同评估。

讨论部分：综述指出，3D生物打印水凝胶修复透明软骨的结构和生物复杂性增加，梯度/多相、生物功能化、细胞和结构增强常与更好的体内结果相关，但证据主要来自组织学、免疫组化和部分结构结局，机械、功能、长期耐久、炎症和安全评估不足。天然聚合物生物相容但单独力学不足，合成聚合物增强稳定性，矿物用于深层。生长因子受剂量、时机、空间分布、半衰期、扩散和酶降解限制，可用控释、纳米/微粒或稳定小分子/药物，但需评估释放和脱靶。细胞加入使产品成为先进治疗医学产品（advanced therapy medicinal product，ATMP），监管更严。报告不一致包括自体/同种不明和细胞密度无共识。同种异体有制造优势，但需证明存活、表型、整合和功能。活细胞产品需GMP无菌制造，交联需平衡机械与细胞活力。大鼠和兔因关节小、软骨薄限制外推，猪、羊、山羊更接近人但手术复杂、费用高且可能有软骨下囊肿。SYRCLE显示主要问题是报告不完整而非一致高风险。

研究结论翻译：当前体内证据提示，3D生物打印水凝胶可支持软骨和骨软骨修复，但转化取决于严格、以临床为导向的验证，而非单纯增加构建复杂性。未来研究应将组织学与生物力学、影像、炎症、安全性和功能性结局结合，并在骨软骨模型中评估软骨下骨和软骨-骨界面。小动物适合早期概念验证，有前景的策略应推进至骨骼成熟大动物模型，采用临床相关缺损和随访期。样本量、实验单位、动物特征、随机化、盲法和完整结局报告也应明确。局限性包括筛选和初始提取由单名评审完成、异质性阻止定量合并、部分数值来自图形估计、原始报告不完整、仅纳入2017—2025年英文同行评审研究可能导致发表和语言偏倚。