软骨是一种半透明的纤维结缔组织，为关节提供低摩擦表面，并能够吸收冲击并传输相应的负载。由于软骨部位不存在血管且成熟软骨中的软骨细胞的复制能力也非常有限，这些特殊属性使得软骨缺损的治疗、修复/恢复变得十分具有挑战性。
组织工程的发展为软骨修复提供了新的见解，通过内在生物活性线索使天然衍生材料能够模仿软骨的重要特征，同时可以促进细胞募集、渗透和分化。近日，来自美国克莱姆森大学的Jeremy Mercuri团队集中介绍了软骨修复和再生的天然支架材料，并对其在各种体外和体内条件下的性能进行了定量和定性分析（图1）。此外，鉴于糖胺聚糖(GAG)与羟脯氨酸(HYP)的比率和模量是透明软骨的基本属性，本文通过探索这些属性如何反映在临床前结果中来增加知识。这些观点可以极大地帮助研究人员更好地利用软骨组织工程的天然材料(CTE)。
相关综述论文以“In vitro and in vivo Efficacy of Naturally Derived Scaffolds for Cartilage Repair and Regeneration”为题于2023年9月12日发表在《Acta Biomaterialia》上。
图1 用于软骨修复和再生的天然衍生支架形式
1. 基于天然ECM的支架
一般地，用于软骨修复和再生的理想支架应模仿天然软骨的结构，具有足够的机械强度以在缺损处保持其形状，同时可以促进细胞迁移并具有足够的生物相容性和生物降解性。因此，研究人员对使用天然软骨细胞外基质作为支架一直很感兴趣，可从自体、同种异体或异种来源获得的ECM具有适当的胶原结构、糖胺聚糖(GAG)分布、生长因子(GFs)和软骨特异性表位，这些是形成全功能修复组织所必需的。
然而，自体软骨植入物与供体部位发病率相关，并且具有严重的采购限制，因此，同种异体和异种支架被证明是更可行的选择。异种组织是一种特别有吸引力的替代品，由于免疫原性的问题需要脱细胞过程，可能导致关键ECM蛋白的去除和软骨结构的损失（图2）。
图2 从天然来源获得的软骨组织的加工方法
良好的支架具有最佳的结构、可降解性、机械强度、生物相容性、孔径、孔隙率、互连性和渗透性。多项研究报道，软骨ECM提取物可以促进胚胎干细胞的软骨特异性分化、在没有外源GF的情况下的软骨形成分化以及与补充GF的协同作用。此外，作者还总结了软骨来源的ECM支架列表，包含有关源材料类型、应用的治疗、生化/生物力学特性和研究结果的信息。
表1 软骨来源的ECM支架信息（部分）
2. 天然非软骨衍生支架
除了软骨细胞外基质衍生的支架，还有许多其他天然聚合物已被广泛研究用于软骨组织工程(CTE)，包括但不限于富含血小板的血浆(PRP)、明胶、丝心蛋白、藻酸盐、胶原、纤维素、壳聚糖和透明质酸（图3）。这些材料表现出良好的生物降解性、生物相容性、最小的免疫效应并促进细胞间的相互作用。因此，它们已被用作独立的支架或被组合在一起用于附加的治疗效果。现有数据表明，非软骨来源的支架在新基质生产以及体外和体内支架刚度方面显示出非常好的结果。同样，作者对天然非软骨衍生支架进行了总结，包括原材料类型、应用的治疗、生物化学/生物力学特性和研究结果（表2）。
图3 可用于软骨修复/再生支架开发的多种天然衍生材料
表2 天然非软骨衍生支架列表（部分）
3. 与天然软骨的生化和生物力学特性比较
在这篇文章中，作者分析了38种软骨ECM和天然非软骨衍生支架(不包括市售天然支架)的结构和组成配方。审查表明，尽管临床疗效仍有待观察，但大量此类支架表现出软骨表型。除了关节软骨的压缩模量（生物力学）之外，人们还对测量报告的GAG与HYP比率是否与目标物种的透明软骨相对应感兴趣。
因此，作者首先收集了常用动物模型中关节软骨的GAG:HYP 比率、聚合/杨氏模量和折减模量(RM)（如果适用）（表3）。接下来，对本次综述中38项研究的一部分——特别是那些报告积极的体外/体内结果以及修复组织生物化学和/或生物力学信息的研究进行了汇编和检查（表4），然后将这些特征与天然宿主软骨进行比较。
表3 CTE研究中常用物种透明软骨的生化和生物力学特性
表4 软骨修复支架的生物化学和生物力学特性（部分）
从表4中可以发现，一项研究具有与天然宿主软骨相对应的两种特征，七项研究具有与生物化学或生物力学相对应的特征，而一项研究具有与其目标/宿主软骨不同的两种特征。总体而言，绝大多数（88.88％）的研究表明生化和/或生物力学特性与其目标软骨特征相对应。因此，观察 GAG:HYP 比率和/或模量的趋势可能是预测透明软骨形成的有用的早期工具。
4. 结论和未来方向
综上，天然支架具有足够的软骨再生潜力，但来自天然软骨以外的来源时也更有效。它们固有的机械强度低或无法维持结构的弱点可以通过补充细胞、GF、表面修饰、与合成聚合物的组合或与生物墨水的融合来补偿。无支架方法也是治疗软骨缺陷的一个有吸引力的选择。这些涉及仅使用细胞生成天然ECM，从而绕过物理存在的支架产生的缺点，例如应力屏蔽、阻碍关键的细胞与细胞相互作用以及潜在的不良免疫反应的产生。虽然与基于支架的方法相比，无支架技术可以更好地概括发育中的软骨环境，但它们在细胞来源可用性、培养持续时间、制造工艺和天然组织生物力学的复制方面也面临限制。
CTE目前的发展轨迹似乎是朝着个性化医疗的方向发展，患者可以获得针对其特定缺陷几何形状定制的产品。尽管生物打印在这一领域正在迅速取得进展，但它确实需要开发既具有治疗效果又能够承受恶劣打印条件的生物墨水材料。虽然在动物模型中实现了简单组织的生物打印和随后的植入，但软骨等复杂组织的打印还需要进一步的研究和优化。
随着生物3D打印的发展，人们也在不断探索4D打印，其中生物3D打印结构可以对刺激做出反应（物理、化学或生物）通过改变形状、颜色或功能。这代表了生物医学应用的一种全新方法，并且可能会改变软骨修复应用的适用规则，其中支架可能与当地环境产生更协同的相互作用。
文章来源：https://doi.org/10.1016/j.actbio.2023.09.008
