華僑大學陳愛政和南方醫大王穎 Compos. Part B：基于dECM工程化微組織協同增強分化和抗炎作用促進骨關節炎的軟骨再生
骨關節炎（OA）是一種以關節軟骨破壞和關節囊炎癥為特征的慢性疾病，是導致全球殘疾的主要原因。伴有軟骨退化、異常骨質增生或骨質增生、滑膜，包括炎癥和軟骨下骨變化的病理臨床癥狀。軟骨對關節功能至關重要，尤其是承重和潤滑功能，軟骨的退化是導致殘疾的重要原因。目前，臨床上治療 OA 的主要軟骨再生系統一般分為非藥物、藥物和手術治療干預。然而，這些方法的適用性還面臨著一些挑戰。骨髓間充質干細胞（BMSCs）具有自我更新、多向分化和免疫調節的巨大潛力，因此特別適合解決與OA相關的復雜問題。BMSCs是誘導軟骨再生的一條極具前景的途徑。然而，要確保BMSCs能可靠地分化為軟骨細胞，許多參數都需要細致的優化，如包括細胞數量、保留、存活以及與宿主組織的無縫整合。考慮到這些方面，團隊設計了一種對BMSCs高保活性的工程化微組織定向調控BMSCs的軟骨細胞向分化，實現細胞的高效、可重復的控制，提高了空間和時間效率。
在本研究中，華僑大學陳愛政教授課題組和南方醫科大學第十附屬醫院王穎副研究員課題組通過微流控技術構建了一種基于軟骨脫細胞基質（dECM）和聚乳酸羥基乙酸共聚物（PLGA），并成功包封了具有淫羊藿苷（ICA）的工程微載體。這種微載體與BMSCs共培養，被開發為一種面向OA軟骨再生的可注射工程化微組織。從機制上看，dECM通過可誘導BMSCs分化為軟骨細胞表型，從而有效修復軟骨缺損。在抗炎方面，dECM增強BMSCs對活性抗炎物質的分泌，負載的 ICA可持續釋放至微環境中，進一步抑制局部炎癥反應，減少軟骨組織的破壞，為穩定關節微環境和促進軟骨再生提供了重要保障。這種協同作用使工程化微組織在保護和修復軟骨方面表現出顯著優勢（圖1）。
圖1 研究示意圖
團隊首先對dECM材料和天然軟骨進行了詳細比較，重點分析了其組織成分的比例。結果顯示，dECM中高保留率的軟骨ECM成分。此外，檢測發現dECM的DNA含量低于50 ng/mL，表明其免疫原性已被有效去除，使其能夠安全應用于后續的生物實驗。接著，團隊系統評估了ICA@dECM-PLGA多孔微球的理化特性。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發現，這種微球具有高度多孔的結構，其相互連通的高孔隙率顯著提高了細胞的粘附性和滲透能力（圖2）。此外，微球中包埋的ICA表現出卓越的長效緩釋性能，不僅延長了藥物的作用時間，還為軟骨修復提供了持續的抗炎微環境支持，為軟骨修復提供了可靠的基礎。
圖2. ICA@dECM-PLGA PMs的生物和理化表征
如圖3所示，團隊系統地評價了基于ICA@dECM-PLGA工程化微組織的再生機制及其在軟骨修復中的潛力。首先，通過H&E染色和番紅染色，團隊觀察并分析了微組織內細胞的活性狀態。結果顯示，細胞在微組織中保持良好的活性，能夠牢固接合，其形態呈現舒展狀態，并形成了相互連接的網絡結構。這種細胞狀態不僅表明微組織提供了一個適宜細胞黏附與增殖的環境，也為后續的軟骨組織再生奠定了良好基礎。進一步，通過Col-2熒光染色，團隊檢測到了大量軟骨基質的沉積，明確顯示了該系統在軟骨修復中的潛力。Col-2是軟骨組織的重要標志物，其大量生成表明工程化微組織能夠有效促進軟骨組織的生成與重建。同時，這些結果也驗證了ICA@dECM-PLGA工程化微組織在改善軟骨微環境方面的優勢。最后，通過PCR分析顯示該系統顯著促進了BMSCs向軟骨分化，同時表現出較強的抗凋亡活性。這一發現進一步表明，ICA@dECM-PLGA工程化微組織在促進細胞分化、維持細胞活力以及提供理想軟骨修復條件方面具有重要作用。這些研究為后期工程化微組織在軟骨組織修復中的植入應用提供了理論依據。
圖3. 工程化微組織活性狀態及促軟骨分化的表征
炎癥因子的過度釋放是阻礙OA軟骨再生的主要挑戰之一。這些炎癥因子通過破壞軟骨細胞在合成與分解之間的動態平衡，嚴重削弱軟骨組織的修復能力，從而加劇了軟骨的退化進程。因此，為OA軟骨再生提供穩定的抗炎微環境是軟骨修復研究的關鍵目標。如圖 4所示，為了評估工程化微組織在抗炎環境中的作用，團隊構建了LPS誘導的炎癥模型，對工程化微組織的抗炎性能進行了分析。工程化微組織對炎癥因子（如IL-1β、IL-6和TNF-α）水平的顯著降低，表明其在緩解炎癥反應方面具有優越性能。此外，團隊進一步收集了工程化微組織的培養上清液，并通過將其凍干后與新鮮培養基混合，與軟骨細胞共培養，以測試工程化微組織對對軟骨細胞的調控。結果顯示，結果顯示工程化微組織可有效清除軟骨的活性氧和活性氮在抗炎修復展現出優異性能。綜合來看，該工程化微組織在改善炎癥微環境、清除有害代謝物具有一定潛力。
圖4. 工程化微組織的抗炎特性
通過代謝組學分析，識別了差異代謝物小分子，并構建了它們的相互作用網絡圖和KEGG富集途徑圖。結果顯示，在工程化微組織作用下，BMSCs顯著上調了與細胞核蛋白合成、線粒體活性及能量代謝相關的關鍵通路。這種代謝激活不僅增強了細胞的遷移和增殖能力，還優化了其對外界刺激的響應能力，為后續體內注射時維持細胞高活性提供了堅實基礎。此外，高活性的BMSCs在免疫調控方面展現出巨大潛力。研究表明，這些細胞能夠通過分泌抗炎因子和調節免疫細胞活性，有效改善炎癥微環境，進一步鞏固工程化微組織的抗炎性能，穩定微環境的穩態，為后續軟骨組織的再生提供理想條件。總之，代謝組學分析從分子水平全面揭示了工程化微組織對BMSCs功能的深遠影響，進一步從多角度側面驗證了其在促進軟骨再生和抗炎調控中的潛力（圖5）。這一結果不僅為相關機制研究提了重要理論支持，也為未來開發針對OA的精準治療策略奠定了基礎。
圖5. 代謝組學分析
如圖6所示，團隊通過解剖評估直觀展示了注射工程化微組織后各組的軟骨修復情況。在OA組中，明顯觀察到周圍滑膜紅腫、粘連，關節腔結構紊亂，軟骨表面存在多處潰瘍，且軟骨組織出現嚴重磨損甚至剝蝕，表現出典型的OA病理特征。相比之下，經過工程化微組織治療的組別顯示出顯著的修復效果，軟骨表面僅有少量輕微磨損，滑膜邊界清晰可見，關節腔結構接近正常，表明工程化微組織在保護和修復軟骨組織方面具有顯著優勢。進一步，為了量化各組炎癥狀態的差異，團隊采用近紅外熱成像技術監測了關節部位的局部溫度變化。結果顯示，OA組的局部溫度顯著升高，反映出明顯的炎癥反應，而工程化微組織治療組的局部溫度接近正常水平，提示其有效降低了關節部位的炎癥活性。此外，團隊結合血常規分析和血清上清液檢測評估了炎癥因子的表達水平，包括IL-1β、IL-6和TNF-α等重要炎癥標志物。結果表明，工程化微組織治療組顯著降低了這些炎癥因子的水平，進一步證實了其在調節炎癥微環境方面的作用。這些研究結果表明，工程化微組織能夠有效緩解OA的炎癥反應，并在保護滑膜和穩定關節微環境方面發揮了重要作用。
圖6. 工程化微組織治療后大鼠炎癥因子和血細胞的體內評價
團隊進一步評估了OA治療后組織形態學特征。如圖7所示，軟骨表面切片的H&E染色結果顯示，在OA組中，軟骨細胞明顯脫落，軟骨組織出現侵蝕，間質內縱向和橫向斷裂明顯，呈現典型的OA病理特征。相比之下，接受工程化微組織治療的組別顯示組織邊界平整光滑，僅有少量軟骨碎屑，且未觀察到明顯的組織損傷，表明治療顯著改善了軟骨結構完整性。番紅/固綠染色進一步驗證了顯示在工程化微組織治療組中，僅觀察到少量軟骨細胞脫落，軟骨表面光滑，細胞間連接緊密，表明軟骨組織的結構得到了顯著改善。此外，團隊采用Micro-CT技術評估了軟骨下骨的鈣沉積和骨密度變化。結果顯示，在OA模型組中，大鼠表現出明顯的OA特征，骨質侵蝕軟骨下骨排列紊亂不均勻,關節內側緣可見骨贅形成。與OA組相比，工程化微組織治療組的骨形成和軟骨下骨密度顯著增加，提示微組織有效促進了骨組織的修復和重建。因此，團隊設計的工程化微組織在軟骨生成和抗炎調控方面表現出顯著效果，可有效改善OA病理狀態，顯示了其在OA治療中的潛在應用價值。
圖7. 工程化微組織治療后軟骨和骨組織的形態學評價
以上相關成果以“Engineered dECM-based microsystem promotes cartilage regeneration in osteoarthritis by synergistically enhancing chondrogenesis of BMSCs and anti-inflammatory effect”為題，近期在線發表于《Composites Part B: Engineering》。論文通訊作者為華僑大學陳愛政教授和南方醫科大學第十附屬醫院王穎副研究員，論文第一作者為南方醫科大學第十附屬醫院和華僑大學聯合培養學生2023屆碩士畢業生陳影和華僑大學2021級博士生陳林飛。
研究工作得到國家自然科學基金（32071323、32271410、32201110）、廣東省自然科學基金（2022A1515011442）以及福建省生物材料科技創新團隊項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111974
通訊作者簡介：
陳愛政：博士、教授、博士生導師。
華僑大學化工學院院長、生物材料與組織工程研究所所長，享受國務院政府特殊津貼專家，入選國家百千萬人才工程、被授予“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號，入選福建省A類高層次人才，獲福建省優秀教師等榮譽。目前擔任中國生物材料學會理事、中國生物醫學工程學會理事、中國生物材料學會生物復合材料分會秘書長、生物醫用材料閩臺科技合作基地負責人、福建省生物材料科技創新團隊帶頭人、福建省生物材料化工博士生導師團隊帶頭人、福建省黨外知識分子聯誼會副會長。主持國家重點研發計劃政府間國際科技創新合作重點專項、國家自然科學基金海峽聯合重點項目等國家級課題10項。主要從事超臨界流體技術及生物材料與組織工程領域的研究，以通訊作者在AM、AFM、Adv Sci、Small、JCR、AHM、BAM、Biomaterials等期刊發表SCI收錄論文150余篇，獲授權國家發明專利10余項。課題組網頁：https://www.x-mol.com/groups/hqubiomat
王穎：博士、副研究員、碩士生導師
王穎，副研究員，碩士生導師，東莞市特色人才第三類別，東莞智能生物材料與再生醫學重點實驗室副主任，南方醫科大學高層次引進人才，多倫多大學博士后，自2021年12月起至今擔任《中國材料科學進展》編委。主要從事于病理組織模型構建和器官芯片的研究工作，包括水凝膠、高分子聚合物等生物材料、血管化組織工程、藥物篩選、微流控技術、生物3D打印等相關研究。主持國家自然科學基金青年基金1項、廣東省自然科學基金面上項目1項、廣東區域聯合基金地區培育項目1項、東莞市社會發展科技重點項目1項。研究成果以通訊作者、第一作者在包括Adv Sci、Biomaterials、BAM、Composites Part B: Engineering、Biofabrication等國際一流學術期刊累計發表SCI論文20余篇。
