软骨损伤难愈合？Nat Commun新突破：抗肿自激活新材料靶向钙信号通路，助力微骨折后软骨再生

打球崴脚、运动扭伤、上下楼梯膝盖隐隐作痛，甚至日常磕碰都可能造成关节软骨损伤。作为人体关节的“缓冲垫”，软骨一旦受损难以自行修复，严重时还会影响正常行走。微骨折手术是临床常用的软骨修复手段，通过激活内源性细胞实现修复，但术后再生的纤维软骨力学性能差，容易出现退变、骨化等问题，难以达到理想的功能恢复效果。

天然软骨中，胶原纤维网络与蛋白聚糖聚集体协同作用，赋予组织抗肿胀、抗压、抗降解的核心特性。但现有仿生材料往往难以同时复刻这一结构稳定性与内源性激活功能，成为软骨修复领域的一大难题。近日，Nat Commun发表了四川大学生物材料团队的最新研究成果，团队通过模拟天然软骨的结构调控机制，成功开发出新型人工蛋白聚糖组装体，为微骨折术后软骨再生提供了创新性解决方案。

研究团队受天然软骨中胶原纤维对蛋白聚糖的限制作用启发，通过静电相互作用与共价结合两种方式，将生物活性多糖、蛋白质与多肽依次共组装，成功构建出人工蛋白聚糖组装体DSPG@Pep。其制备过程清晰明确：先通过酰胺化反应合成硫醇化透明质酸与多酚修饰丝素蛋白，二者按1:2比例混合并调节pH至7后形成纤维束结构的DSPG，再将硫醇化肽整合其中，最终获得兼具结构稳定性与生物活性的DSPG@Pep。

结构表征结果显示，DSPG的β-折叠含量达到原始SFD的3.5倍，有效杨氏模量高达5.8 MPa，是对照材料SPG的3倍。肿胀测试中，DSPG在PBS溶液中30小时内形态几乎无变化，吸水能力显著低于SPG；压缩实验数据表明，它在75%应变下的应力值可达37.5 kPa，且循环压缩性能稳定，展现出优异的抗肿胀、抗压及抗降解特性，能为软骨再生提供稳定的力学微环境。

图1 抗肿胀自激活人工蛋白聚糖组装体模拟天然软骨基质的核心-透明质酸-胶原相互作用及生物功能，进而促进软骨再生

生物活性肽的引入并未改变DSPG的微观结构与力学性能，还实现了可持续的肽释放模式：前10天释放20%的肽用于招募细胞，剩余80%残留于支架表面调控细胞分化。体外实验数据证实，DSPG@Pep能显著促进骨髓间充质干细胞的横向与纵向迁移，免疫荧光染色结果显示，它对CD73、CD44、CD90阳性内源性干细胞的招募能力明显优于单纯DSPG。

软骨分化实验中，DSPG@Pep组的糖胺聚糖和Ⅱ型胶原分泌量显著升高，Ⅹ型胶原分泌量则明显减少；RT-qPCR检测结果显示，ACAN、SOX9等软骨分化关键基因表达上调，COLⅠ、COLⅩ等纤维化及肥大标志物表达下调，表明其可定向诱导骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化，同时有效抑制异常骨化。

图2 结合生物活性肽的DSPG促进自激活生物功能

转录组分析结果显示，与SPG相比，DSPG能上调ECM-受体相互作用、钙信号通路及骨化相关基因；而DSPG@Pep则显著下调钙信号通路基因（如CACNA1G、AVPR1A）和骨化相关基因（如EFEMP1、SCUBE3、SPARCL1）。进一步验证实验证实，DSPG会促进调控细胞外钙内流、细胞内钙释放及骨化相关基因的表达，导致胞质钙浓度升高；而DSPG@Pep通过下调这些基因的表达，维持较低的胞质钙浓度，从而抑制骨化基因激活。

此外，细胞与细胞外基质的相互作用主要由整合素介导，DSPG会促进整合素β1聚集，而DSPG@Pep能减少整合素β1聚集并增强N-钙黏蛋白聚类，削弱整合素介导的骨化倾向，进而维持软骨细胞表型。

图3 转录组分析揭示DSPG@Pep调控骨髓间充质干细胞软骨分化的机制

在兔膝关节全层软骨缺损模型中，术后20周DSPG@Pep组的缺损部位完全被新生软骨覆盖，与天然软骨实现完好整合，新生软骨厚度与正常软骨无显著差异，且胶原纤维排列接近天然软骨的垂直取向。Micro-CT检测显示，DSPG@Pep能有效保护软骨下骨结构完整，其骨体积/总体积比值在各组中最高。

在巴马猪大动物模型中，术后5个月DSPG@Pep组的软骨缺损部位形成透明质样软骨，MRI检测显示新生软骨信号均匀、表面光滑；组织学染色结果证实，该组新生软骨中糖胺聚糖沉积丰富，Ⅱ型胶原表达阳性，胶原纤维排列与天然软骨高度相似，同时有效修复了软骨下骨损伤。

图4 DSPG@Pep促进兔内源性软骨再生

图5 DSPG@Pep促进猪内源性软骨再生

这一创新设计思路打破了传统仿生材料的局限，通过精准模拟天然软骨的结构调控机制，让DSPG@Pep同时具备抗肿胀、抗压的结构稳定性与自激活生物功能。无需依赖外源性细胞或生长因子，仅通过稳定力学微环境、招募内源性干细胞及靶向调控钙信号通路，即可实现微骨折术后透明软骨的功能化再生。该研究为软骨修复生物材料的研发提供了全新范式，有望快速转化至临床应用，为广大关节软骨损伤患者带来创伤小、疗效持久的治疗新希望，推动骨科软骨修复领域的技术革新。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Li, Z., Zhao, M., Zhu, J. et al. Anti-swelling and self-activating artificial proteoglycan assemblies as cartilaginous implant for post-microfracture healing. Nat Commun 17, 324 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-025-67035-6