《Bioactive Materials》：In vitro phenotypically stable cartilage regeneration with mechanically adaptable microenvironment using a hydrostatic pressure bioreactor
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本研究针对软骨损伤修复中营养运输不足和表型不稳定的难题，开发了基于明胶/硫酸软骨素多孔水凝胶支架的静水压(HP)生物反应器系统。研究发现HP刺激通过上调TRPV4/PIEZO1机械敏感通道，激活Ca2+依赖性TRPV4/PIEZO1-Ca2+-SOX9机械转导通路，显著促进软骨形成并抑制肥大化和骨化。山羊体内实验证实HP预处理的类软骨构建体在耳部原位微环境中表现出优异的长期再生效果，为临床软骨再生提供了新策略。
软骨组织因其无血管、无神经的独特结构，自我修复能力极其有限。从耳廓、鼻软骨到关节软骨，各类软骨损伤的修复一直是临床面临的重大挑战。目前常用的自体软骨移植存在供体来源有限和供区并发症等问题，而人工假体植入则面临生物相容性差、组织整合不佳等瓶颈。组织工程技术的出现为软骨再生带来了曙光，但传统的体外预培养方法往往需要长达12周的时间，且容易发生中央组织坏死；而体内预植入策略又难以控制软骨表型，易出现异位骨化等不良现象。
在这项发表于《Bioactive Materials》的研究中，邱璨、汤艳华等研究人员独辟蹊径，从关节腔的自然机械微环境中获得灵感，开发了一套创新的静水压(HP)生物反应器系统。该研究首次系统阐明了HP通过调控机械适应性微环境促进表型稳定软骨再生的分子机制，为软骨组织工程提供了新的技术路径。
研究人员采用了几项关键技术方法：通过3D打印牺牲模具技术制备了具有可控多孔结构的明胶/硫酸软骨素(GelMA/CSMA)复合水凝胶支架；使用自主研发的HP生物反应器对细胞-支架复合物进行机械刺激(5 MPa，2小时/天)；通过转录组和蛋白质组学分析机械转导机制；利用裸鼠和山羊模型进行体内再生效果评估，特别关注了不同植入部位(腹部vs耳部)对软骨表型维持的影响。
3.1. GC支架表征和细胞相容性
研究团队首先通过牺牲模塑法成功制备了孔径约100μm、孔隙率达90.35%的3D打印多孔水凝胶支架。扫描电镜显示支架具有均匀的互通孔结构，利于细胞生长和细胞外基质(ECM)沉积。细胞实验证实，经过4周HP刺激的支架细胞存活率提高2.74倍，细胞铺展面积增加4.43倍，且支架表现出良好的生物相容性和机械性能。
3.2. 体外软骨再生评价
与传统静态培养需要12周相比，HP刺激仅需4周即可形成成熟的类软骨组织。组织学染色显示HP组有更丰富的II型胶原(COL2)、蛋白聚糖(ACAN)和弹性蛋白(ELN)沉积，且形成典型的软骨陷窝结构。定量分析表明HP组的糖胺聚糖(GAG)和总胶原含量显著高于对照组。
3.3. HP促进体外软骨再生的分子机制
转录组和蛋白质组分析发现，HP刺激显著上调了1145个基因的表达，下调1006个基因。GO富集分析显示这些基因主要涉及ECM组织、细胞粘附等过程。研究发现HP通过激活TRPV4和PIEZO1机械敏感通道，引发Ca2+内流，进而激活CALM2/CaMK信号，通过MAPK3通路促进SOX9表达，最终上调ACAN、COL2A1等软骨特异性基因。同时，HP有效抑制了COL10A1等肥大化标志物的表达。
3.4. 基于GC支架的再生软骨体内评价
将HP预处理4周的构建体植入裸鼠皮下12周后，发现其湿重和体积均显著优于静态培养12周的对照组，且软骨特异性基质成分更加丰富，表明HP预处理可显著缩短体外培养时间并提高体内再生效果。
3.5. 山羊体内软骨再生命运评估
最引人注目的是，研究发现植入部位微环境对软骨表型维持具有决定性影响。将同样HP预处理4周的构建体分别植入山羊腹部和耳部，8周后耳部植入组保持了更稳定的弹性软骨表型，而腹部组则出现纤维化和血管化倾向。免疫组化显示耳部组的CD31(血管标志物)和CD68(巨噬细胞标志物)表达与天然软骨相当，表明原位微环境能有效抑制炎症反应和异位骨化。
该研究深入揭示了HP通过TRPV4/PIEZO1-Ca2+-SOX9机械转导通路调控软骨再生的新机制，证实了机械适应性微环境在促进表型稳定软骨再生中的关键作用。特别重要的是，研究首次系统论证了原位微环境对工程化软骨命运的决定性影响，为临床软骨再生提供了重要的理论依据和技术支撑。这项创新性工作不仅将体外软骨预培养时间从12周缩短至4周，更重要的是为解决软骨再生中的表型不稳定问题提供了有效策略，具有显著的临床转化前景。未来研究可进一步探索不同解剖部位特异性机械刺激对软骨表型的调控作用，推动个体化精准软骨再生治疗的发展。
