综述：克服软骨再生挑战：软骨生成诱导剂的作用

　　本综述系统探讨了软骨再生的关键挑战与前沿策略，聚焦软骨生成诱导剂（如生长因子、小分子、机械刺激）的作用机制及其与生物材料的协同应用。文章深入分析了体外/体内评估方法，并指出转化医学中的瓶颈问题（如细胞衰老、异位骨化），为开发新型软骨修复疗法提供了多学科交叉视角。

　　

理解软骨组织及有效修复障碍

软骨作为一种特殊结缔组织，具有耐久性和柔韧性特点，分布于关节、肋软骨、外耳等多个解剖区域。组织学上分为透明软骨、弹性软骨和纤维软骨三类，其细胞外基质（ECM）成分存在显著差异：弹性软骨富含弹性纤维，透明软骨具有均质ECM，而纤维软骨则以密集的I型胶原纤维为特征。软骨的分层结构包括表层（PRG4⁺祖细胞、润滑素）、中间层（成熟软骨细胞、II型胶原）和深层（肥大软骨细胞、X型胶原），这种区域特异性组成决定了其机械性能和功能特性。

然而，关节软骨的内在再生能力极其有限，这主要归因于其无血管结构、低细胞密度和终末分化软骨细胞的增殖能力缺失。动态生物力学环境、滑液缺乏凝血因子以及营养依赖扩散机制进一步阻碍修复过程。

软骨形成在修复中的作用机制

软骨形成是间充质干细胞（MSCs）分化为软骨细胞的核心过程。损伤后，警报素和炎症介质释放刺激基质细胞衍生因子1（SDF-1）、CCL2等趋化信号，招募骨髓基质细胞（BMSCs）和PRG4⁺祖细胞向损伤部位迁移。新分化细胞主动合成II型胶原、聚集蛋白聚糖（ACAN）和软骨寡聚基质蛋白（COMP）等ECM成分，促进结构恢复。

软骨形成过程分子调控

软骨形成经历间充质凝聚、分化、成熟和终末分化四个阶段。凝聚阶段表达N-钙黏蛋白等粘附分子和SOX9转录因子；分化阶段受TGF-β超家族调控，SOX9和Col2A1持续上调；成熟阶段软骨细胞分泌ECM成分；肥大阶段则出现Ihh信号调控和RUNX2转录因子上调。关键信号通路包括：

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  TGF-β/BMP通过Smad信号驱动Col2a1和ACAN表达
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  Hedgehog信号通过GLI转录因子强化SOX9活性
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  Wnt信号通过β-连环蛋白和MAPK信号双向调节
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  FGF通过FGFR激活PI3K/Akt支持细胞存活
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  IGF通过PI3K/Akt/mTOR通路促进基质合成

软骨生成诱导剂创新策略

生长因子应用

TGF-β1（10 ng/mL）促进前软骨间充质细胞凝聚，TGF-β3刺激细胞增殖。BMP-2（200-2000 ng/mL）和BMP-7（10 ng/mL）剂量依赖性诱导ACAN表达，但可能同时激活RUNX2导致异位骨化。FGF-18通过FGFR3增强软骨细胞增殖，IGF-1抑制凋亡并促进分化，GDF-5通过p38 MAPK通路发挥作用。

小分子诱导剂

Kartogenin（KGN）通过 displacing CBFβ from filamin A 与RUNX1结合，增强基质合成。TD-198946通过PI3K/Akt和NOTCH3信号促进分化且避免肥大。褪黑素通过受体介导上调ACAN、Col2A1等基因表达，Wnt信号参与调控。

基因治疗策略

采用腺相关病毒（rAAV）递送SOX9基因，慢病毒传递TGF-β1，可延长基质生物合成持续时间。非病毒载体（质粒）通过电转、化学方法转换，但面临免疫反应和毒性挑战。

机械刺激调控

通过动态压缩（1 Hz，10-15%应变）、静水压（0.1-10 MPa）和流体剪切力调节钙信号，增强软骨基因表达。机械信号通过整合素、初级纤毛等受体激活MAPK、Rho/ROCK和PI3K/Akt通路。

组合组织工程方法

水凝胶（明胶、壳聚糖）、合成聚合物（PVA、PEG）和脱细胞软骨支架提供三维微环境。通过共混、表面涂层（等离子体技术）、层层自组装（LbL）实现诱导剂控释。2023-2025年创新平台包括：

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  压电水凝胶将超声转化为电信号
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  动态蛋白水凝胶招募干细胞和TGF-β1
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  壳聚糖水凝胶联合TGF-β3/IGF-1/PDGF-BB微球
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  铜介孔二氧化硅纳米粒子（CuO@MSN）共递送BMP-7和SOX9质粒
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  丝基系统结合KGN、地塞米松和BMSC亲和肽

典型案例GelMA/str-ZnO@PEI/miR-17水凝胶通过Zn²⁺激活Ihh/PTHrP信号招募BMSC，miR-17下调MMP13和ADAMTS5保护ECM完整性。

软骨形成评估体系

体外模型选择

人间充质干细胞（hMSCs）虽易老化但分化潜力明确，诱导多能干细胞（iPSCs）适合疾病建模。小鼠ATDC5和C3H10T1/2细胞成本低但物种差异显著。单层培养易去分化，三维培养（细胞团、微团、水凝胶）更好模拟体内环境。微团培养（15天）形成凝聚样区域，细胞团培养（21天）促进细胞接触但中心易坏死。

动物模型应用

啮齿类（小鼠、大鼠）成本低且遗传背景清晰，但软骨薄（30 μm）；大家畜（山羊、猪）更接近人类解剖结构。缺陷模型包括：

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  部分厚度缺陷：限于关节软骨
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  全层缺陷：延伸至钙化软骨
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  骨软骨缺陷：涉及软骨下骨

分子评估技术

基因表达采用实时PCR（特异性高）、批量RNA测序（转录组全景）和单细胞测序（异质性分析）。蛋白检测通过Western blot（半定量）、免疫荧光（定位）和质谱（高通量）。组织学染色包括：

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  H&E：组织架构
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  阿尔新蓝/萨弗宁O：糖胺聚糖
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  天青蓝：酸性多糖
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  II型胶原免疫组化：软骨形成确认

临床试验规范

遵循FDA七步协议，主要终点包括疼痛缓解和功能改善（IKDC、KOOS、WOMAC评分）。二期研究需2年以上随访，获批产品如Cartistem、Bioseed-C等多采用自体软骨细胞结合生物材料。富血小板血浆（PRP）虽未获批但显示再生潜力。

领域发展展望

软骨修复面临年龄相关再生能力下降的挑战。虽然微骨折和植入物提供临时缓解，但长期恢复仍不理想。生物活性刺激增强内源性软骨形成潜力成为新方向。混合生物支架整合诱导剂、支持微环境和干细胞，显著提升疗效和耐久性。通过证据为基础的方法论和创新生物材料融合，软骨再生领域正在进入转型期，将为软骨损伤患者带来实质性益处。