具有脂质调节功能的透明质酸水凝胶能够促进骨关节炎前体细胞的软骨生成，从而修复承重关节软骨

《International Journal of Biological Macromolecules》：Lipid-modulating hyaluronic acid hydrogel promotes chondrogenesis of osteoarthritis progenitor cells for weight-bearing cartilage repair

本研究通过RNA测序分析OA和正常软骨前体细胞（CPCs）的脂质代谢与成软骨分化关系，发现抑制脂质吸收可逆转OA-CPCs的成软骨能力下降。进而开发了一种具有自愈、抗菌特性的透明质酸水凝胶（AMARE@G），在兔膝关节负重区成功实现软骨再生，为OA治疗提供新策略。

　　

刘文光|王家乐|王伟|李梦妍|刘宁|罗萌|姚晓琳

陕西科技大学食品与生物工程学院，中国西安，710021

摘要

机械损伤和衰老都会导致软骨缺陷，从而加速骨关节炎（OA）的进展。新兴证据表明，营养微环境因素，特别是脂质的生物利用度，会调节前体细胞的软骨形成能力。我们对OA/正常软骨前体细胞和软骨细胞的RNA-seq分析揭示了脂质代谢在软骨分化中的关键作用。使用从OA软骨中提取的前体细胞（OA-CPCs）进行的功能验证表明，在高葡萄糖/低脂条件下，软骨分化能力得到增强。随后，我们制备了一种基于透明质酸的脂质阻滞水凝胶（AHA-MA-RGD-EPL@GW1100，AMARE@G），该水凝胶具有可注射性、自愈性和抗菌性，可用于兔子膝关节承重区域的软骨修复。在AMARE@G水凝胶组中，我们观察到了表面光滑、II型胶原蛋白和蛋白多糖丰富的再生软骨，而I型纤维化胶原蛋白极少。这种综合方法将代谢调控与生物材料创新相结合，实现了承重区域的软骨功能恢复，展示了其在软骨修复和OA干预方面的转化潜力。

引言

骨关节炎（OA）是一种慢性退行性关节疾病，其特征是软骨逐渐退化、骨赘形成和软骨下骨重塑。其发病机制涉及多种因素的相互作用，包括机械过载（尤其是在承重关节中）、与年龄相关的软骨前体细胞衰老[1]以及代谢失调[1]。患者会遭受疼痛和功能受限，全球有超过6亿人受到影响，预计到2050年这一数字将增加60%至100%[2]。目前的治疗方法效果有限。对于早期OA，通常使用非甾体抗炎药（NSAIDs）和润滑剂[3]，[4]，但这些方法只能缓解症状，无法阻止疾病进展。这一治疗空白主要源于两个根本生物学限制：软骨本身较低的再生能力[5]以及持续的机械过载。膝关节，尤其是内侧部分，承受着人体最大的负荷。值得注意的是，经过机械应力重新分配后（例如高胫骨截骨术[6]），OA患者的软骨可以再生。因此，修复承重区域软骨的策略具有重要的临床意义。

长期以来，人们认为关节软骨仅含有软骨细胞，尽管十多年前就发现了软骨前体细胞[7]。软骨来源的前体细胞（CPCs）是一类主要位于关节软骨表层的干细胞，其特征是表达CD105+、CD166+和CD44+。然而，一个矛盾现象仍然存在：尽管存在这些前体细胞，软骨的自我修复能力非常有限。从健康和骨关节炎（OA）软骨中分离出的CPCs仍保留向中胚层谱系（包括软骨生成、脂肪生成和骨生成）分化的潜能。我们的研究表明，OA-CPCs表现出强烈的骨生成潜能，而软骨生成能力较弱[8]。有趣的是，即使在标准化的软骨生成诱导条件下，OA-CPCs中的肥大和骨生成标志物也上调[9]。此外，从晚期OA中提取的间充质干细胞的软骨生成和脂肪生成能力也有所下降[10]。

脂质的可用性与前体细胞的软骨生成能力密切相关。抑制脂质摄取可以通过FOXO-SOX9轴增强骨骼干细胞的软骨生成[11]。这使我们推测，抑制脂质吸收可能会恢复OA-CPCs的软骨生成能力。GW1100是一种选择性GPR40（由FFar1编码）拮抗剂，能有效阻断游离脂肪酸（FFA）的信号传导。此外，它还可以抑制基质金属蛋白酶9（MMP9）和活性氧（ROS）[12]，这两种因素都是骨关节炎软骨的特征。同时，葡萄糖代谢也是前体细胞软骨生成的关键决定因素[13]。然而，高葡萄糖或低葡萄糖条件哪种更有利于软骨生成仍存在争议[14]，[15]。

透明质酸（HA）是一种天然存在于软骨细胞外基质（ECM）中的糖胺聚糖，已成为药物递送、软骨再生、组织修复支架和3D生物打印的多功能生物材料[16]，[17]。通过可控的化学修饰（例如甲基化调整），HA可以被制成具有可调粘弹性的光交联水凝胶，适用于软骨组织工程[18]。水凝胶在组织修复方面具有多种优势，包括吸收多余渗出物和促进气体交换。此外，其可注射性和自愈特性使其能够适应任何不规则的缺损，并适应缺损大小或形状的动态变化[19]。与植入物相关的手术部位感染会增加发病率、死亡率和医疗成本，而预防性使用抗生素可能导致抗生素的过度使用和耐药性[20]。为了降低这些风险，我们在水凝胶中加入了ε-聚L-赖氨酸（EPL）——一种具有广谱杀菌活性的阳离子抗菌多肽，其杀菌作用归因于其与细菌细胞膜的静电相互作用[19]，[21]。RGD（Arg-Gly-Asp）肽基序是许多ECM蛋白（如纤维连接蛋白和胶原蛋白）中存在的最小生物活性序列[22]。纤维连接蛋白常用于分离CPCs，并能促进干细胞增殖[23]，[24]。因此，我们进一步将RGD肽基序纳入基于HA的水凝胶中，以增强CPCs的招募和粘附。

在这项研究中，我们首先基于RNA-seq数据比较了OA-CPCs、正常CPCs（N-CPCs）和OA软骨细胞（OAC）的脂肪生成和软骨生成转录谱。然后，我们研究了营养条件（葡萄糖和脂质水平）对OA-CPCs的影响，以确定其软骨生成的最佳环境。基于这些发现，我们合理设计了一种具有微环境促进作用的水凝胶（AHA-MA-RGD-EPL@GW1100，AMARE@G），该水凝胶结合了HA的天然生物活性、EPL的抗菌性能以及GW1100的脂质调节作用。将这些水凝胶注射到兔子股骨髁承重区域创建的全层软骨缺损中（图1），并在3个月后评估了其修复效果。这种生物工程策略为解决OA的双重挑战（病理分化和生物力学失效）提供了新的方法。

RNA-seq数据分析

我们重新分析了之前的OA-CPCs、N-CPCs和OACs的RNA-seq数据集。选择了与脂肪生成、软骨生成和脂质摄取相关的基因来生成热图。原始数据已存储在NCBI GEO数据库中（访问号GSE176199）。对于基因集富集分析（GSEA），我们使用了MsigDB v6.1和预排名GSEA v3（GSEA REF 1）。标准化富集分数（NES）>1.5和假发现率（FDR）<0.05被视为显著结果。Qiagen IPA

软骨来源前体细胞（CPCs）的软骨生成潜能受损和脂肪生成倾向增强

我们的转录组分析显示CPCs存在明显的分化偏向。CPC群体表现出较低的软骨生成能力和明显的脂肪生成倾向，这与von Gastel等人关于骨骼前体细胞中脂质介导的命运决定的研究结果一致[11]。对三种细胞群体（骨关节炎软骨来源的前体细胞（OA-CPCs）、正常软骨来源的前体细胞（N-CPCs）和骨关节炎……

讨论

骨关节炎（OA）是一种慢性炎症性疾病，会破坏局部细胞的功能，包括OA软骨来源的前体细胞（OA-CPCs）和骨髓来源的间充质干细胞（BMSCs）。尽管TGF-β是一种软骨生成诱导因子，但它却在OA-CPCs中同时促进软骨形成和骨生成。与此同时，BMSCs在OA条件下的软骨生成分化潜能减弱。虽然正常CPCs（N-CPCs）具有固有的……

缩写

HA
透明质酸
OA
骨关节炎
OA-CPCs
OA软骨来源的前体细胞
NSAIDs
非甾体抗炎药
HTO
高胫骨截骨术
FFA
游离脂肪酸
MMP
基质金属蛋白酶
ROS
活性氧
ECM
细胞外基质
EPL
ε-聚L-赖氨酸
RGD
Arg-Gly-Asp肽
OAC
OA软骨细胞
N-CPCs
正常CPCs
基因集富集分析
COL I
I型胶原蛋白
COL II
II型胶原蛋白
qPCR
定量实时PCR
FTIR
傅里叶变换红外光谱
S. aureus
金黄色葡萄球菌
E coli

CRediT作者贡献声明

刘文光：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，研究，资金获取，概念构思。王家乐：撰写——审稿与编辑，验证，研究，数据管理。王伟：撰写——审稿与编辑，验证，研究，数据管理。李梦妍：撰写——审稿与编辑，验证，研究，数据管理。刘宁：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。罗萌：撰写——审稿与编辑，

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了GPT 5和Gemini 3进行语言编辑和方法学习。使用这些工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

资金来源

本工作得到了国家自然科学基金（82102617）、陕西省重点研发项目（2023-YBSF-019）、中国博士后科学基金（2022M712563, 2024M752538）、陕西省博士后研究资助项目（2024BSHSDZZ041）以及陕西省教育厅（23JC009）的支持。

利益冲突声明

作者确认本文不存在任何财务冲突和利益冲突。作为处理编辑的姚晓琳未参与本文的同行评审，也未获取有关同行评审的信息。本文的编辑工作全部由另一位期刊编辑负责。