综述：基于支架的自体间充质干细胞修复软骨模型：一项系统性叙述性综述

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Models of cartilage repair with autologous mesenchymal stem cells seeded on scaffolds: a systematic narrative review

本文回顾了将自体间充质干细胞（MSCs）接种于支架上进行软骨修复的临床前研究。研究发现，相比于对照组，MSCs疗法在软骨再生、基质组织和与周围组织整合方面表现出优越性。其中，骨髓来源的MSCs（BM-MSCs）与可生物降解支架结合被证明是最有效的组合。尽管研究在干细胞来源、支架类型和递送策略上存在异质性，但累积证据强烈支持自体MSCs用于软骨修复的再生潜力。当前研究指出了标准化实验方案的缺失以及对组织重塑和成熟机制了解有限等关键知识缺口，限制了其直接临床转化，因此未来需要在大动物模型中进行更长期（>2年）的标准化研究以评估修复组织的整合、功能成熟和完全再生潜力。

软骨在成年后再生能力有限，创伤后局灶性软骨损伤常发展为骨关节炎，而传统手术干预产生的纤维软骨力学性能较差，这构成了持续的治疗挑战。近年来，利用间充质干细胞（MSCs）进行软骨修复的策略备受关注。本综述聚焦于临床前研究，评估了在动物模型中使用自体MSCs接种于支架上进行软骨修复的策略。

引言：软骨修复的挑战与希望

骨关节炎（OA）是一种高发的退行性关节疾病，以膝关节最常见，是全球疼痛和残疾的主要原因，带来重大的社会经济和医疗挑战。除了老年人群中与年龄相关的OA，运动相关的创伤性软骨缺损，常伴有韧带撕裂，是年轻活跃个体早发OA的主要风险因素。现有的机械修复策略，如骨髓刺激、微骨折和自体骨软骨移植（OAT），可以缓解症状并恢复表面连续性，但其长期疗效有限。这些方法无法可靠地再生出耐用的天然透明软骨，导致修复组织的机械性能较差，且与周围天然基质的整合不理想。因此，利用间质干细胞（MSCs），特别是搭载在生物材料支架上进行递送的治疗方法，在促进透明样软骨的靶向再生和恢复骨软骨单元方面日益受到重视。

在多种MSCs递送方式中，将MSCs接种在支架上直接植入关节缺损处（如图1所示），相比关节腔内注射，能提供更好的空间控制，并便于评估结构终点。这种方法有望满足成功治疗的几个关键条件。首先，特定的支架选择及其固定至关重要，植入物必须贴合并有效密封缺损。其次，支架应可生物降解，允许逐步吸收，并且具有生物相容性以防止潜在的炎症反应或作为异物被排斥。最后，它应创造一个支持MSCs向软骨谱系分化的微环境，同时确保与邻近软骨和软骨下骨的稳定整合。此类手术中的细胞递送可以在将支架放入缺损前于体外进行，也可以在体内进行，即先将支架放置并稳定在受损区域，随后注射培养的细胞或浓缩物。

材料与方法：系统性的研究筛选

本研究是一项系统性叙述性综述，结合了系统综述的方法学严谨性和叙述性综合的解释深度。根据PRISMA指南，在多个数据库进行了全面的文献检索，使用了预定义的关键词和纳入/排除标准。对符合条件的研究进行了筛选、严格评估和叙述性综合，以概述当前知识，强调关键的生物学和机制见解，并确定未来研究的空白。检索从开始持续到2023年8月，并于2026年1月22日更新，以包含截至检索日发表的研究。初始检索共获得2436条记录，去除重复项后剩下1878篇独特文章。通过标题和摘要筛选出64篇潜在相关研究，经过全文评估，最终有38篇文章符合纳入标准，进入最终分析。筛选和选择过程总结在图2所示的PRISMA流程图中。

临床前结果：多样化的探索与实践

从38篇文章中提取的数据被编制成表1，其分析结果在以下部分呈现。

不同的支架类型

分析表明，支架通过提供生物力学强度、为细胞合成创造合适的微环境以及促进周围组织生长因子的运输和吸收，显著改善了软骨缺损中细胞移植的效果。在所分析的研究中，发现了许多不同的天然和合成支架。胶原/细胞外基质（ECM）支架是最常用的，以多种形式存在，如胶原I凝胶、胶原I/III膜、胶原I/II凝胶、胶原II支架，以及与聚己内酯（PCL）、聚乙烯醇（PVA）、自体骨髓间充质干细胞衍生的细胞外基质（aBMSC-dECM）或β-磷酸三钙（β-TCP）结合的胶原支架。

由于胶原支架由具有规则排列胶原纤维的天然ECM组成，它们模拟了天然软骨环境，为MSCs分化为产生软骨的软骨细胞提供了合适的条件，同时通过将细胞保持在原位确保了良好的细胞存留。支架内底物结合的胶原不仅通过趋化性增强MSCs的募集，还引导它们沿着浓度梯度向缺损中心迁移。使用aBMSC-dECM可最大程度降低宿主免疫反应和炎症的风险。aBMSC-dECM的快速完全降解增强了营养物质和代谢物向缺损部位的运输。另一方面，一个重大挑战是它们无法与邻近软骨结合，这可能导致表面不规则并增加对生理压力的敏感性。此外，纯胶原支架通常缺乏机械强度，在负载下容易坍塌或三维结构变形。因此，会添加复合材料以增强支架，但同时也引入了异质性，其生物和机械性能可能因位置而异。

另一类使用的支架由可生物降解的合成聚酯组成，包括聚乳酸（PLA）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、聚己内酯-羟基磷灰石（PCL-HA）和聚乙醇酸-透明质酸（PGA-HA）支架。这些支架可被设计成提供高机械强度和形状稳定性，这对于愈合过程中的缺损几何形状至关重要。此外，其结构可被精确改变以满足研究人员的需求，例如提供最佳细胞浸润和营养扩散的孔径、模拟天然排列的形状，以及提供特定层中受控异质性的分层特定组成。其结构可防止细胞泄漏到缺损部位。微海绵状支架中的孔隙提高了细胞接种和存留的效率。实际上，一些小组通过将支架与自体血浆/纤维蛋白原基水凝胶结合来改善术中细胞存留，水凝胶可以在原位聚合，帮助将细胞固定在多孔基质中。然而，此类支架的降解需要控制，因为常见聚合物往往会降解成酸性副产物，从而降低局部pH值。此外，这些支架缺乏模拟天然ECM的材料，可能会诱导细胞分化形成纤维软骨，这在该领域不如透明软骨。

此外，还研究了其他天然材料，如透明质酸（HA）凝胶、明胶海绵（Gelfoam）、纤维蛋白和多层壳聚糖-明胶（CG）支架。这些支架促进细胞活力，增强基质扩散，并确保方便的术中操作。同时，HA凝胶被认为可增强MSCs向软骨细胞的分化，并由于其润滑和抗炎特性而提高迁移率。然而，它们在负载下有限的机械强度主要将其作用限制在载体而非承重支架。

在研究之间，支架化学似乎塑造了修复基质的质量以及软骨生成成熟和软骨下骨反应之间的平衡。天然和富含ECM的胶原基支架持续促进强烈的蛋白聚糖沉积和胶原II阳性基质的形成，在中期终点支持更透明的软骨。整合了ECM与结构增强的复合支架（例如，结合矿物相或分区结构的胶原基支架）通常在实现缺损填充和整合方面有效，同时在重塑过程中保持结构稳定性。相比之下，机械强度高的合成支架通常确保了优异的缺损稳定性和骨整合，但在一些模型中，在可比较的时间点表现出不完整的软骨基质积累。一个有价值的机制解释是，结果不仅由材料的“生物活性”驱动，还取决于植入物与缺损几何形状的贴合程度以及组织界面的稳定程度。例如，可注射的ECM基水凝胶是一种减少界面间隙和微动的策略。这些观察结果表明，生物活性、模拟ECM的线索对于适当的软骨生成基质组织至关重要，而纯合成或高度骨传导性的支架可能需要额外的生物增强以实现透明样软骨。

从临床角度来看，植入物的机械耐久性和与周围组织的整合似乎比完全向天然软骨的生物重塑更为关键。只要植入物保持稳定且在生物力学上与邻近组织相当，则可能不需要严格的完全生物转化。表2提供了所纳入研究中使用的支架类别的比较总结。

MSCs来源

表1所列研究中使用的MSCs来源多样，其中兔MSCs最为常见，其次是小型猪、绵羊、大鼠、猪、马、猴、狗和小鼠的MSCs。这种分布表明兔子在软骨修复的临床前实验模型中占主导地位。这可能是因为它们的软骨尺寸：兔子比小型实验动物关节更大，但比大型动物模型小，这使得关节手术更容易，并便于术后护理。然而，由于其软骨较薄，与人体大小的关节相比，治疗效果可能被高估，这突显了向大型动物模型转变的必要性。

细胞接种和传代的异质性

支架接种（将活细胞放置到支架上或支架内）使用了三种量化方法进行描述。第一种是细胞/cm³，数值范围从5 x 10⁵到 5 x 10⁷，反映了研究之间的巨大差异。第二种采用细胞/cm²单位，数值范围从5 x 10³到 4 x 10⁵。最后，使用了每个植入物的总细胞数，其数量级从2 × 10³到 5 x 10⁷不等。有几项动物研究未报告接种密度或植入细胞总数。

在所列的动物研究中，未观察到较高的接种密度或较高的总细胞数与更优的软骨生成结果之间存在一致的关系。这些发现并不一定反映治疗的无效性，而是指出结果可能受到其他因素的干扰，如支架体积和孔隙率、物种和缺损大小、随访时间和植入部位。有趣的是，有研究显示，在PGA-HA支架中递送大约2.5 × 10⁶个自体早期传代（P2）的BM-MSCs产生了更多透明样修复组织，尽管在90天时宏观缺损填充并不优于未处理的对照组。然而，一项研究强调了剂量依赖性效应。在纤维蛋白基载体中，较高密度的递送和/或密集的MSCs聚集体与改善的缺损填充以及优异的体内形态学和 histological 结果相关。总体而言，证据支持一种依赖于背景的关系，即细胞负载在允许的载体（如水凝胶）中可增强修复，但如果支架渗透性、缺损大小或局部微环境未优化，则不能保证改善的结果。

为了未来的跨研究可比性，研究应将细胞数量标准化为每缺损体积（例如，细胞/mm³），并报告支架孔隙率。此外，20项研究未指定细胞传代次数，这限制了对结果贡献的推断。在描述的情况下，早期传代MSCs（通常是P1-P3）占主导地位，并且在多种构建体中与有利的 histological 结果相关，包括增强的胶原II和富含GAG的修复区域。

细胞收获来源和使用的细胞类型

表1提到的文章中，细胞收获来源在动物模型中各不相同，最常见的是来自髂骨的骨髓来源MSCs（BMSCs），其次来自股骨、胫骨、肱骨和胸骨。软骨细胞从股骨关节软骨或肱骨关节软骨中分离。脂肪来源的MSCs从腹腔内脂肪或皮下臀部脂肪中提取，滑膜来源的MSCs来自膝关节滑膜，骨膜来源的MSCs来自干骺端和骨干交界处，如图3所示。

研究中使用的最常见的细胞类型是BMSCs，其次是软骨细胞、脂肪来源的MSCs、骨膜来源的MSCs和滑膜来源的MSCs。植入未分化细胞的优势在于其在软骨缺损中比高度分化的软骨细胞具有更多的有丝分裂能力。在各种MSC类型中，BMSCs相对容易使用成熟方案进行分离和扩增，使其适合体内实验。相比之下，获取滑膜来源的MSCs需要进行额外的侵入性关节手术，增加了操作复杂性，而脂肪来源MSCs的产量可能因供体部位、物种和提取技术而异。这些因素导致结果的可预测性和标准化降低。重要的是，表1中提到的所有研究都从受体自身身体提取MSCs，因此用于自体移植。由于同种异体MSC使用后不良反应风险更高且益处较少，本综述未分析同种异体MSC研究。

本综述纳入的大多数研究采用了自体骨髓来源的MSCs，限制了不同细胞来源之间的直接比较。在相似支架和缺损条件下直接比较自体来源的研究中，细胞来源似乎影响修复结果。在绵羊骨软骨缺损模型中使用PLGA支架的研究中，与脂肪来源细胞相比，软骨和骨髓来源的MSCs在6-12个月内表现出更优异的软骨缺损修复，表明组织来源可能影响长期透明样软骨的形成。在胶原基构建体中，骨膜来源和骨髓来源细胞实现了相当的总体缺损修复评分，尽管组间表面规则性存在差异。这些发现支持以下结论：骨髓来源的MSCs目前在该领域提供了最有力的证据基础，而替代的自体来源可能需要优化的条件或支架设计以实现相当的耐久性。

细胞操作

在所有论文中，MSC细胞在植入前都进行了培养扩增。另一个在各种实验环境中广泛实施的技术是使用骨髓浓缩物——从动物身上采集骨髓并离心以获得富含核细胞的浓缩物，其中包括一小部分干细胞，随后将其植入缺损部位。

考虑到所分析的研究，使用培养细胞能够再生更大面积的软骨缺损，面积大约是BMSCs浓缩物治疗所观察到的两倍。除此之外，扩增MSCs能够在植入前实现精确的剂量和支架接种。相比之下，BMSC浓缩物含有异质细胞群，难以确定观察到的效果在多大程度上可归因于MSCs。

实验最终持续时间

分析研究的实验持续时间各不相同，从3周到长达12个月不等。一些研究进行了为期4周和8周的实验。相当数量的实验进行了12周，而其他实验则延长至24周。此外，还有实验持续了6个月、12个月甚至24个月。实验终点选择的这种广泛差异表明，在评估功能成熟和修复组织与天然软骨的长期整合方面存在重大空白。为了全面了解治疗效果和潜在的长期并发症，有必要进行更长期的随访研究（>2年）。

结论与展望

综上所述，临床前证据强烈支持使用自体MSCs接种支架进行软骨修复。与对照组相比，MSCs疗法在再生透明样组织、改善组织整合和功能恢复方面显示出优势，尤其是BM-MSCs与可生物降解支架（如胶原基材料）结合时。然而，该领域面临着重大挑战，包括研究间缺乏标准化、细胞来源、接种密度、支架类型和随访时间存在高度异质性。未来的研究应侧重于在大动物模型中进行长期、标准化的研究，以评估修复的耐久性、生物力学特性以及与宿主组织的整合。此外，需要更深入地了解MSCs在缺损部位的存活、分化和旁分泌作用机制，以优化治疗策略并推动其成功的临床转化。