四川大学华西医院干细胞与组织工程研究中心/骨研所解慧琪/沈彬团队于2024年8月在Chemical Engineering Journal发表文章“Accelerated cartilage regeneration through immunomodulation and enhanced chondrogenesis by an extracellular matrix hydrogel encapsulating Kartogenin”（点击二维码阅读原文）。本研究应用负载KGN的脱细胞猪小肠黏膜下层（SIS）水凝胶增强干细胞原位募集及成软骨分化能力，改善局部免疫微环境，有效促进了关节软骨缺损的再生修复与重建。
关节软骨是一种高度特化的致密结缔组织，其优越的震荡缓冲吸收、抗磨损及低摩擦润滑特征对关节功能至关重要，但相应地也容易受到一系列损伤。然而，由损伤引起的不良免疫微环境，加上软骨组织缺乏可再生干细胞等固有特性，严重阻碍了其自我修复。因此，关节软骨缺损后的修复重建一直是临床与基础研究的重点与难点。
最近的证据表明，局部免疫微环境是调节软骨再生过程的关键因素。软骨损伤后，局部过度或慢性炎症反应会损害软骨细胞活力，进而导致细胞凋亡和软骨基质降解。其中，使用功能性生物材料调控巨噬细胞表型转化是改善局部免疫微环境的一种常用方法。在本研究中，我们对猪小肠黏膜下层（small intestinal submucosa，SIS）这一脱细胞细胞外基质材料进行酶解处理，制备了一种用于软骨缺损治疗的温敏性水凝胶。SIS水凝胶具有类似于天然软骨的三维多孔结构，从而为参与修复过程的祖细胞提供支架和营养支持。此外，其优越的免疫调节特性可诱导局部巨噬细胞从M1型向M2型转变，间接提升了间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）的成软骨分化能力（图1）。
图1 水凝胶改善局部免疫微环境促进MSCs成软骨分化。（A-C）SIS水凝胶促进巨噬细胞M1-to-M2表型转化；（D-G）免疫微环境改善间接促进MSCs成软骨分化。
然而，鉴于软骨组织缺乏可再生修复细胞的特性，仍需在软骨缺损区域引入干细胞并诱导其成软骨分化。Kartogenin（KGN）是一种非蛋白软骨诱导剂，其不仅具有软骨保护作用，还可通过调节CBFb-RUNX1信号通路促进MSCs的成软骨分化。此外，与其他生长因子易变性失活不同，KGN即使在室温下也能非常稳定地储存和运输。最重要的是，它已被证明能够触发宿主内源性MSCs的归巢，从而实现无需干细胞移植的软骨修复和再生（图2）。
图2 KGN促进MSCs募集迁移和成软骨分化。（A-D）KGN有效促进MSCs募集迁移；（E-G）KGN直接促进MSCs成软骨分化。
最后，我们在SD（Sprague Dawley）大鼠中构建软骨缺损模型，验证负载KGN的SIS水凝胶（SIS+KGN）的体内疗效。结果表明，SIS + KGN组修复区域有明显的软骨样组织形成，Ⅱ型胶原表达量明显提高，术后12周修复组织平整光滑，其颜色、质地与周围正常软骨组织相当，缺损边界软骨整合较好（图3）。
图3 SIS+KGN水凝胶的体内治疗效果及模式图。（A-C）SIS+KGN水凝胶有效促进关节软骨缺损区域的的软骨再生修复；（B）SIS+KGN水凝胶通过增强MSCs原位募集及成软骨分化能力，改善局部免疫微环境，有效促进关节软骨缺损的再生修复与重建。
综上，本研究成功构建了一种负载KGN的SIS复合水凝胶，可以实现KGN的缓释，并通过KGN募集宿主内源性的MSCs并直接诱导其成软骨分化。此外，SIS水凝胶在提供三维支架的同时，可以通过免疫调节诱导巨噬细胞向M2型极化，间接促进MSCs的成软骨分化，两者协同作用，共同促进关节软骨缺损的修复与重建。
专家点评
魏强教授：由于缺乏细胞及血管的独特组织特性，关节软骨再生一直是现阶段研究的重点与难点。本研究中，作者首先利用酶解法，改变膜片状脱细胞猪小肠黏膜下层形态，制备了具有温敏特性的水凝胶，使其更加满足软骨缺损治疗时的应用需求。同时，实验结果表明该水凝胶具有天然生物活性，可有效促进巨噬细胞极化表型转变，缓解局部炎症反应，为软骨再生修复提供适宜微环境。此外，为加强干细胞募集及成软骨分化能力，作者还在水凝胶中搭载了小分子化合物KGN，进一步提升了水凝胶的治疗效果。综上，本研究为关节软骨缺损提供了一种制备简便的新型复合水凝胶材料，并在体内外实验中证实其对于关节软骨缺损具有良好的治疗效果。本研究结果有望为软骨缺损开拓新的治疗策略。
魏强，四川大学教授，国家“海外高层次人才引进计划”青年项目与国家优秀青年科学基金获得者。担任国际期刊Smart Materials in Medicine、Materials Research Express、Biosensors等编委。联合创立美柏生物技术公司，并担任首席科学家，从事细胞外基质基材料的转化。具备材料学、化学、生物学复合背景，主要从事细胞力学生物学的基础研究与界面生物材料的应用转化。研究聚焦于细胞感应微环境物理力学信号及细胞力信号传递与转导调控基因转录的机制。在Cell Stem Cell、Science Advances、Nano Letters等领域内主流学术期刊上发表论文70余篇。
作者心得
关节软骨对关节功能至关重要，但易受损伤且难以自我再生修复。本研究采用猪小肠黏膜下层（SIS）制作了一种负载KGN的细胞外基质复合水凝胶，用于软骨修复。SIS水凝胶具有类似天然软骨的三维结构，可以支持干细胞生长并实现KGN缓释。研究显示，KGN能够募集宿主内源性MSCs并诱导其分化为软骨细胞，实现无需细胞移植的原位再生；同时SIS的生物活性成分具有良好的免疫调节能力，可以促进巨噬细胞M1-to-M2表型转化，间接促进MSCs的成软骨分化。这种无细胞的软骨组织工程策略减少了组织采集和细胞扩增的需求，并规避了与细胞使用相关的伦理和监管挑战，展示了作为软骨修复材料的巨大潜力。
在投稿方面，Chemical Engineering Journal是老牌的材料类期刊，在JCR学科类别“ENGINEERING, CHEMICAL”171种期刊中排名第7。本研究在投稿后两周送审，两月内收到四位审稿人的意见。前三位审稿人意见积极，建议补充实验数据。第四位审稿人意见较差，在未提具体意见的前提下建议拒稿。我们根据前三位审稿人的建议补充了相关实验，并在修改稿中进行详细说明和修改。对第四位审稿人，我们再一次细致地描述了研究的设计思路与创新性，并做了礼貌地回复。修回后五天完成再次外审，两周后论文被接受。本文的发表心得是当遇到不合理或不积极的审稿意见时，不必惊慌，应根据具体的建议做出积极与合理的解释，并礼貌回复。同时，对其他审稿人的建议应逐一说明并体现于正文中。
通信作者
解慧琪，研究员、博士生导师，四川大学华西医院生物治疗全国重点实验室干细胞与组织工程研究中心主任，骨科研究所副所长。“教育部重要人才计划”特聘教授，四川省学术和技术带头人，天府科技领军人才，首届转化医学创新奖获得者，国家重点研发计划项目首席科学家。长期从事组织工程学研究，致力于组织修复再生及细胞外基质材料研究与转化。主持包括国家重点研发计划、国家自然科学基金等在内的30余项课题，以第一/通信作者发表学术论文120余篇，主编英文专著1部，参编10余部，获国家发明专利授权30余项。带领团队将研究成果成功转化，获批国家药品监督管理局三类医疗器械产品注册证书5项，另有5项正在进行多中心临床试验。
共同通信作者
沈彬，教授，主任医师、博士生导师，四川大学华西医学中心常务副主任，华西医院骨科研究所所长。国家“十四五”重点专项首席，四川省学术和技术带头人，入选四川省“天府青城计划”天府名医项目。任中国医师协会骨科医师分会常委、中华医学会骨科分会关节外科学组委员、中国康复医学会骨质疏松预防与康复专委会副主委、《中国修复重建外科杂志》主编等学术职务。主要研究方向为骨关节疾病和骨质疏松的发病机制及精准诊疗。承担国家重点研发项目1项、国家自然科学基金项目4项。获四川省科学技术进步奖（二、三等奖各1次）、华夏医学科技奖三等奖等奖项。以第一/通讯作者发表论文180余篇，主编专著2部，授权国家发明专利3项。
第一作者
黄锴，2023级外科学（骨科）博士研究生，主要研究方向为骨关节炎与软骨修复。以第一作者/共同第一作者累计发表论文9篇，获国家发明专利授权1项。曾获四川大学优秀研究生干部等荣誉。
共同第一作者
张卿义，2022级外科学（骨科）博士研究生，主要研究方向为骨组织工程。以第一作者/共同第一作者累计发表论文15篇，获国家发明专利授权2项。曾获四川大学博士创新奖学金，国际组织工程与再生医学学会论文竞赛金奖等荣誉。
团队简介
团队长期致力于“以临床为导向的ECM材料研究与转化”，围绕制约ECM材料临床应用的关键问题进行攻关，成功建立了关键核心技术体系（高效脱细胞技术、构形优化技术、组织工程构建技术等）。团队共发表高水平论文400余篇，包括Sci. Adv.、Sig. Transduct. Target. Ther.、Biomaterials、Bioact. Mater.等相关专业领域的TOP期刊；获授权专利32项，推动技术成果转化12项，形成了ECM再生修复材料研究及产品开发的转化研究链条。获得国家药品监督管理局三类医疗器械产品注册证书5项，包括我国首个肌腱修复材料产品、首个脱细胞的骨修复产品，首个SIS生物疝修补片、首个脱细胞羊膜、首个SIS口腔可吸收生物膜。产品覆盖全国30个省市的2000多家综合医院，疗效显著，惠及500余万患者，打造了具有国际竞争核心优势的中国自主生物医用材料品牌，具有良好的社会和经济效益。
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编辑：陈 璐
排版：张洪雪
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华西期刊社简介
四川大学华西医院华西期刊社成立于2006年，出版有14种医学科技期刊（9种中文和5种英文），其中SCI收录期刊2种，ESCI收录期刊2种，EI收录期刊1种、MEDLINE收录期刊4种、CSCD收录期刊7种、北大中文核心期刊要目总览收录期刊6种。华西期刊屡获“中国出版政府奖期刊奖”、“中国百种杰出学术期刊”、“中国精品科技期刊”、“中国最具国际影响力学术期刊”等殊荣。1种期刊入选“中国科技期刊卓越行动计划——领军期刊”项目，2种期刊入选“中国科技期刊国际影响力提升计划——D类（现：中国科技期刊卓越行动计划——高起点新刊）”项目。在国家双一流建设背景下华西期刊社加快推进英文期刊建设，目前已与Nature、Wiley-Blackwell、Oxford University Press、BMC等国际一流出版集团建立了合作关系。
