近日，首都医科大学附属北京同仁医院张明珠教授团队在材料学知名期刊《Advanced Materials》在线发表了题为“Cartilage lacuna-inspired microcarriers drive hyaline neocartilage regeneration”的研究论文。该研究受软骨陷窝启发，通过N羟基琥珀酰亚胺酯/碳化二亚胺(NHS/EDC)活化羧基后与I型胶原蛋白的氨基形成酰胺键，并通过气泡占位的方法，制备了具有空间限制作用的透明质酸微载体，仿生软骨陷窝，研究其对软骨再生的作用。该研究报道了基于纯透明质酸制备表面具有微结构的细胞微载体，阐述了以空间限制为线索调控细胞命运的组织工程新理念。首都医科大学博士生丁声龙、熊维以及中科院动物所赵喜源博士为共同第一作者。附属北京同仁医院张明珠教授、中科院动物所顾奇研究员和上海交大瑞金医院崔文国为本文共同通讯作者。

关节软骨损伤和退变已成为疼痛和致残的主要原因，影响全球超过2.5亿人。成人关节软骨自我更新和修复能力差，自体软骨细胞移植等细胞疗法可以提供可替代细胞资源，但是正常的软骨细胞逐渐表现为纤维软骨细胞的表型，近几十年来，软骨细胞去分化扩张和再分化一直是软骨组织工程的研究焦点。尽管近些年各种功能性的微载体的开发有望解决大规模培养种子细胞的临床需求，但对于开发具有临床转化潜力以及表面具有微结构的微载体的尚未清晰，亟待进一步研究。

软骨陷窝作为软骨细胞所处的胞外微环境，对软骨细胞的功能影响具有重要调节作用，其复杂的胞外基质呈同心圆分布于细胞周围。同时软骨陷窝为软骨细胞提供了机械微环境，并通过生物力学信号能够影响软骨细胞的形状和功能。随着关节软骨损伤的进程，伴随着软骨陷窝的结构和基质的破坏。受此启发，研究人员通过气体泡沫以形成软骨陷窝仿生结构，通过NHS/EDC活化羧基后与I型胶原蛋白的氨基形成酰胺键，最终构建了软骨陷窝仿生微载体。随后，研究人员进一步优化了该微载体包被一型胶原的浓度、评估了其细胞生物相容以及细胞负载的效率。同时发现软骨细胞在长时程培养过程中，仿生微载通过体空间限制作用促进软骨细胞相关基因表达增加，以及多糖基质的沉积。并且在机制上揭示了仿生微载体的空间限制通过对N-cadherin以抑制GSK3β Ser9磷酸化，进而促进β-catenin在细胞质磷酸化和降解，从而实现了抑制经典Wnt信号通路的激活。而光滑微载体介导的机械转导调节F-actin的自组装和Lamin A/C表达的组织，促进β-catenin进入细胞核。作者通过构建裸鼠皮下成软骨模型，进一步评估该仿生微载体的透明软骨形成能力。微载体在皮下具有良好的生物相容性以及发挥基质沉积作用。扫描电镜显示仿生微载体组不仅观察粗纤维，同时也存在大量细纤维。组织学染色则显示仿生微载体组二型胶原大量表达，多糖沉积并且纤维排列更加有序，综合表现为透明软骨的组织学特点。

综上所述，该研究加深了学者对空间限制作为软骨细胞力学传导相互作用机制的理解，发现了其可以通过Wnt信号通路影响细胞命运，开辟了空间限制为线索的组织工程新方向；并且该独特的软骨细胞扩增策略将可能适用于细胞移植修复的临床治疗手段，为临床软骨损伤治疗提供新的方法。

图. 具有空间限制的仿生微载体促进透明软骨组织再生

该项目受到国家自然科学基金（82272473、81773091、T2222029和U21A20396），北京市自然科学基金（7212020），北京市百千万人才计划（2020A43）等基金项目的支持。

张明珠，主任医师，教授，博士研究生导师，现任首都医科大学附属北京同仁医院足踝外科中心主任。兼中国研究型医院学会足踝医学专委会副主任委员，中国医师协会骨科医师分会足踝基础与矫形学组委员，中华医学会糖尿病分会糖尿病足学组委员等职务。主要从事关节软骨损伤与关节炎诊治及机制研究。主持国家自然科学基金和省部级项目9项，入选北京市公卫高层次人才项目（学科带头人）和北京市百千万人才计划。相关成果发表于《Advanced Materials》、《Cancer Cell》《Cell Reports》《Biomaterials》《Bioactive Materials》《Chemical Engineering Journal》《JBMR》《Bone》等杂志。