综述：姜黄素基支架在软骨组织工程中的全面综述

　　本综述系统探讨了姜黄素（Curcumin）在软骨组织工程（CTE）中的应用前景，重点介绍了其抗炎、抗氧化及软骨保护特性，以及如何通过纳米颗粒、水凝胶（如壳聚糖、明胶甲基丙烯酸酯）和合成支架（如PCL、PLGA）等先进药物递送系统（DDS）克服其生物利用度低的局限性。文章还分析了从传统手术技术向间充质干细胞（MSC）疗法、基因治疗和3D生物打印构建物等新兴疗法的转变，并总结了临床证据，表明生物可利用的姜黄素制剂（如Meriva?、Theracurmin?）可显著改善骨关节炎（OA）和类风湿关节炎（RA）患者的疼痛、僵硬和功能评分。

　　

引言

软骨是一种特殊的结缔组织，对关节功能至关重要，提供机械支撑、负荷分布和无摩擦运动。结构上，它由嵌入细胞外基质（ECM）的软骨细胞组成，ECM以II型胶原、蛋白聚糖和糖胺聚糖（GAGs）（如透明质酸（HA））为主。与其他组织不同，软骨缺乏血管和神经，因此其自我修复能力 inherently 有限。这种脆弱性使其易患退行性和炎症性疾病，如骨关节炎（OA）和类风湿关节炎（RA）。OA是最常见的退行性关节疾病，涉及ECM降解、软骨细胞凋亡和软骨下骨重塑。关键的分子驱动因素包括上调的基质金属蛋白酶（MMPs），特别是MMP-13，以及具有血小板反应蛋白基序的去整合素和金属蛋白酶（ADAMTS-5），它们破坏胶原（COL）和蛋白聚糖网络。相反，RA是一种自身免疫性疾病，以滑膜增生、免疫细胞浸润和细胞因子驱动的软骨破坏为特征。促炎介质如肿瘤坏死因子α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-6（IL-6）激活核因子κB（NF-κB）和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）等通路， perpetuating 炎症和ECM分解代谢。

姜黄素（Cur），一种从姜黄（Curcuma longa）中提取的多酚，因其在软骨再生中的治疗潜力而受到关注。其生物活性涵盖多种机制：（1）通过抑制NF-κB和环氧化酶-2（COX-2）通路发挥抗炎作用，降低IL-1β和TNF-α水平；（2）通过清除活性氧（ROS）和上调内源性抗氧化剂如超氧化物歧化酶（SOD）发挥抗氧化特性；（3）通过抑制MMPs并促进II型胶原和聚集蛋白聚糖合成实现软骨保护；（4）通过将巨噬细胞极化为抗炎M2表型实现免疫调节。尽管有这些益处，姜黄素的临床转化因其较差的生物利用度、快速代谢和低水溶性而受阻。

为了克服这些限制，软骨组织工程（CTE）策略创新性地将姜黄素整合到生物材料支架和药物递送系统（DDSs）中。天然聚合物如藻酸盐（Alg）、壳聚糖（CH）、胶原（COL）、透明质酸（HA）和明胶（Gel）被工程化为水凝胶，用于pH响应或持续药物释放，利用其生物相容性和ECM模拟特性。合成平台，如聚己内酯（PCL）和聚乳酸-羟基乙酸（PLGA），提供可调的降解速率和机械强度，通过电纺纳米纤维或3D打印基质实现可控递送。混合系统，包括纤维蛋白/PCL复合材料或脱细胞ECM/PCL支架，结合了结构稳定性和生物活性，通常通过姜黄素负载的纳米颗粒或微球增强。先进的DDSs如脂质体和金属有机框架（MOFs）进一步优化了软骨特异性靶向，例如dCOL2-CM-Cur-PNPs，可归巢到受损的II型胶原位点。

临床证据强调了姜黄素的转化前景。使用Meriva?（一种姜黄素-磷脂酰胆碱复合物）的试验显示，OA患者在8个月内Western Ontario和McMaster Universities骨关节炎指数（WOMAC）评分和炎症标志物（如IL-6、CRP）显著降低。类似地，Theracurmin?（一种纳米颗粒制剂）在马赛克成形术后患者中改善了关节功能和软骨刚度，并通过关节镜和MRI分析验证。RA研究强调了姜黄素的免疫调节功效，疾病活动评分28（DAS28）和滑膜炎严重程度降低。然而，试验结果的变异性（部分由于剂量不一致）呼吁标准化方案和长期随访。本综述综合了姜黄素的多方面治疗作用、先进CTE进展和临床见解。通过桥接生物材料创新与临床见解，我们旨在加速基于姜黄素的疗法的发展，以恢复关节完整性和减轻退行性疾病进展。

姜黄素：桥接古老智慧与现代医学

姜黄素的多方面治疗应用和安全概况

姜黄素是一种著名的天然多酚化合物，具有特征性的黄橙色调，主要来源于姜黄（Curcuma longa Linn）的根茎，这是一种与姜科和天南星科相关的植物。这种亲脂性分子以其快速渗透细胞膜的能力而闻名，影响其结构和功能。200多年前首次从姜黄中分离出来，姜黄素在中国、印度和伊朗等地区的传统医学中有着悠久的使用历史，特别是在阿育吠陀实践中。其治疗多样性使其在全球范围内被认可用于治疗多种疾病，包括动脉粥样硬化、感染性疾病和各种癌症。姜黄素具有强大的安全 profile，获得美国食品药品监督管理局（FDA）认可，每日可接受摄入量（ADI）为每公斤体重0-3毫克。历史上，其在阿育吠陀医学中的应用扩展到治疗感染、眼部炎症、呼吸和消化问题、伤口护理，甚至缓解幻觉，突显了其多方面的药用价值。

姜黄素的结构见解

姜黄素，化学名称为(1E,6E)-1,7-双(4-羟基-3-甲氧基苯基)-1,6-庚二烯-3,5-二酮，分子式为C₂₁H₂₀O₆，是一种生物活性化合物，其特征在于其独特的化学结构，包括两个芳香环（苯基），取代有羟基（-OH）和甲氧基（-OCH₃）基团，通过一个七碳链连接，该链具有一个α,β-不饱和β-二酮功能团。这个二酮基团在溶液中主要以稳定的烯醇形式存在， contributing 姜黄素的独特特性，包括其亮黄色（由于存在共轭双键和平面结构）。其亲脂性（归因于芳香环和扩展的共轭系统）使其易于穿越细胞膜。以其治疗潜力而闻名，姜黄素表现出强大的抗氧化和抗炎作用，使其有效管理炎症状况、代谢综合征、疼痛、退行性眼病，甚至某些癌症和神经系统疾病。此外，它作为表观遗传调节剂和蛋白酶通路调节剂，进一步扩展了其治疗范围。然而，姜黄素的临床应用因其较差的溶解度和低生物利用度而严重受阻，这是由于吸收有限、快速代谢和快速系统消除所致。为了克服这些限制，已开发出各种策略，通过提高其溶解度、细胞渗透性和抗代谢降解能力来增强其生物利用度，从而释放其全部治疗潜力。

姜黄素的提取方法

从姜黄（Curcuma longa L.）中分离姜黄素（主要的生物活性化合物）是一个关键步骤，显著影响其产率、纯度和后续应用。提取方法大致分为传统和新型（先进）技术，每种都有 distinct 优势和局限性。

传统方法

传统技术，历史上是姜黄素分离的基础，包括溶剂提取（浸渍）、索氏提取和水蒸馏。溶剂提取涉及质量传递，其中溶剂（如乙醇、甲醇、丙酮或异丙醇）渗透干燥的植物粉末基质，溶解姜黄素类化合物，并扩散出来。乙醇通常是首选溶剂，因其 effectiveness profile；使用乙醇在30°C下1小时，溶剂与固体比例为8:1，已实现最佳产率。

索氏提取，发明于1879年，仍然是一种基准方法。它涉及热溶剂通过固体材料的连续循环，导致高提取产率，姜黄素通常接近100%。然而，这是一个 lengthy 过程（例如14小时），需要大量溶剂和高能量， prolonged 加热可能降解热敏化合物。水蒸馏主要用于通过去除挥发性精油生产脱臭姜黄素提取物，同时保留姜黄素类化合物含量， demonstrating efficacy comparable to solvent deodorization。

新型提取方法

为了克服传统方法的缺点（如提取时间长、溶剂消耗高和化合物降解），新型、更环保的“绿色”技术已被开发。

超声辅助提取（UAE）利用声波（20-100 MHz）产生的空化现象破裂细胞壁，增强质量传递。该方法 drastically 减少提取时间和溶剂使用。使用乙醇在40°C下2小时的优化条件可实现73.18%的产率，远比索氏所需的许多小时更 efficient。

微波辅助提取（MAE）利用微波能量快速加热细胞内的水分，产生内部压力破裂细胞壁并释放生物活性物质。MAE已显示 outperformed both UAE and Soxhlet， yield higher curcuminoid content (326.79 mg/g) with less energy and shorter times (e.g., <30 min)。

酶辅助提取（EAE） employ 水解酶（如果胶酶、纤维素酶）分解多糖细胞壁，释放结合的代谢物。虽然环保，其主要缺点是长孵育时间。超临界流体提取（SFE），通常使用CO₂，在溶剂的临界点以上的温度和压力下操作。它 ideal 用于热敏化合物，因其操作温度低， though reported yields for curcuminoids can be relatively low (0.68-0.73%)。加压液体提取（PLE）使用升高的温度和压力将溶剂维持在其正常沸点远以上的液态， dramatically enhancing extraction efficiency and speed。PLE可在非常短的时间内（例如5-20分钟）实现高 yields，使其比索氏提取快三到六倍，同时使用更少的溶剂。

方法的选择取决于产率、纯度、处理时间、成本和环境影响之间的 desired balance。趋势正朝着这些 novel 方法发展，因其更高的效率、更高的安全性和更好的姜黄素化学完整性保存。

姜黄素的合成方法

虽然从姜黄中提取是商业上普遍的，但姜黄素的化学合成对于生产高纯度化合物和为研究生成 novel 结构类似物至关重要。合成路线的发展经历了几个关键里程碑。

第一次成功合成由Lampe于1918年报道， following initial structural elucidation。这种 pioneering 五步路线从乙酰乙酸乙酯和碳甲氧基阿魏酰氯开始。它通过一系列缩合、皂化和脱羧步骤构建二阿魏酰甲烷骨架， ultimately yielding curcumin。

A significant simplification was introduced by Pavolini in 1950, who demonstrated that curcumin could be formed in a one-pot reaction by directly condensing two equivalents of vanillin with one equivalent of acetylacetone in the presence of boron trioxide. However, this method suffered from a very low yield of approximately 10%。

主要突破来自Pabon in 1964， who vastly improved upon Pavolini's methodology。通过 employ 试剂系统硼 trioxide、三仲丁基硼酸酯和正丁胺在乙酸乙酯中室温下，Pabon achieved dramatically increased yield of nearly 80%。这种 efficient protocol not only provided superior access to curcumin itself but was also successfully applied to synthesize eight structural analogues, establishing it as a foundational method for generating curcuminoid derivatives。

姜黄素的鉴定方法

姜黄素，源自姜黄（Curcuma longa）的主要姜黄素类化合物，通过各种分析方法进行鉴定和表征，这些方法利用其独特的物理和化学特性。其中，光谱技术如紫外-可见（UV-Vis）光谱和核磁共振（NMR）光谱，以及色谱方法如高效液相色谱（HPLC），被广泛用于分析姜黄素的分子结构、纯度和浓度。

高效薄层色谱（HPTLC）

HPTLC serves as a reliable technique for quantifying curcumin。该方法使用光密度扫描测定姜黄素浓度，构建基于峰面积与标准浓度（每带100-600 ng）的校准曲线。HPTLC方法的验证遵循国际协调会议（ICH）指南，评估参数如线性、精密度、准确度、检测限（LOD）、定量限（LOQ）和回收率。日内和日间精密度分析 confirm 结果的再现性，如低平均相对标准偏差（RSD）所证明。HPLC通常是姜黄素分析的首选方法，因其高灵敏度、准确性和效率。其简单的样品制备和鲁棒性使其特别适合现场应用和由 minimally trained technicians 操作的实验室。HPLC允许姜黄素类化合物的 sharp baseline separation with low detection limits, making it indispensable for quality control and research involving complex mixtures。

紫外-可见光谱

分光光度技术，包括UV-Vis光谱， also employed for curcumin analysis。UV-Vis光谱提供了一种快速直接的方法来分析有色化合物 like curcumin。其非破坏性 nature enables repeated testing on the same sample, with simpler waste disposal compared to other methods。然而，它 limited to samples that absorb light in the UV-Vis range and may face interference from impurities or background noise, making it less suitable for low-concentration samples。Despite its limitations, UV-Vis spectroscopy remains a valuable tool for routine analyses due to its ease of use。However, HPLC is often preferred for curcumin characterization because of its superior accuracy and versatility in handling complex mixtures, making it ideal for both research and quality control applications。

核磁共振光谱

NMR光谱是一种先进的分析方法，用于研究像姜黄素这样的化合物的分子结构和行为。通过 employ 核磁共振，该技术利用原子核的磁性特性提供分子特性的 in-depth insights，包括功能团鉴定、结构解析和分子相互作用研究。Furthermore, NMR is instrumental in examining the conformational dynamics and stability of substances under varying environmental conditions。当与补充技术如UV-VIS分光光度法和HPLC结合使用时，NMR光谱增强了化合物表征的准确性和深度。Together, these methods offer a robust and comprehensive approach to understanding curcumin and other bioactive molecules with precision。

软骨再生缺陷的挑战与创新

软骨是一种独特的结缔组织，由于其无血管和低细胞密度，再生能力有限，对修复和再生提出了 significant challenges。关节软骨（AC）的损伤破坏组织平衡， often leading to the release of inflammatory cytokines like IL-1 and subsequent joint degeneration。国际软骨修复学会（ICRS）分级系统是评估软骨损伤的关键工具，分为四个等级：I级涉及表面损伤，如软化和轻微不规则；II级影响小于50%的软骨深度；III级延伸通过50-100%的软骨厚度，未暴露骨骼；IV级代表全层软骨丢失伴骨暴露。这种分类有助于诊断缺陷、确定治疗策略和预测结果。中度损伤（II级和III级）通常用手术技术如微骨折（MFX）或马赛克成形术治疗，而严重损伤（IV级）可能需要更侵入性的干预，如人工关节置换或截骨术。尽管传统治疗有所进步，但软骨再生的挑战仍然存在， underscoring the urgent need for innovative therapeutic approaches to address these complex issues effectively。

传统治疗：管理症状的非手术方法

当前OA的非手术方法 primarily focus on symptom management and slowing disease progression through various pharmacological and biological interventions。这些传统治疗 targeting different aspects of OA pathophysiology, from inflammation reduction to cartilage protection, and are typically employed for early-stage disease。While these modalities can provide meaningful symptomatic relief, their ability to regenerate native cartilage structure remains limited, often necessitating eventual surgical intervention in advanced cases。以下部分检查了这些常规疗法的证据，包括其作用机制、临床疗效和全面OA管理中的局限性。

非甾体抗炎药（NSAIDs）

非甾体抗炎药，包括哈洛芬酮、依托考昔、布洛芬和双氯芬酸，已 demonstrated therapeutic potential for AC regeneration and OA management。这些 agents exert their pharmacological effects primarily through COX enzyme inhibition, thereby reducing prostaglandin synthesis- key mediators of inflammation and pain perception。NSAID类包括传统的非选择性抑制剂（如布洛芬、双氯芬酸）和选择性COX-2抑制剂（如塞来昔布），后者提供改善的胃肠道耐受性，同时保持 comparable efficacy。主要临床指南，包括骨关节炎研究学会国际（OARSI）和美国风湿病学会（ACR）的指南，推荐NSAIDs作为OA相关疼痛的一线药物治疗。然而，它们的慢性给药需要 vigilant clinical oversight due to dose-dependent risks of gastrointestinal complications, cardiovascular events, and renal impairment。This safety profile has prompted ongoing research into optimized dosing strategies and alternative therapeutic approaches for long-term OA management。

透明质酸

透明质酸关节内注射已成为OA相关关节疼痛的 well-established treatment， particularly when NSAIDs or analgesics like acetaminophen prove ineffective。FDA已批准七种透明质酸盐制剂用于膝关节注射：Synvisc、Synvisc-One、Hyalgan、Supartz、OrthoVisc、Euflexxa（formerly Nuflexxa）和Gel-One，新兴研究探索其在其他关节（包括髋、肩、小关节和手