【案例解析】如何利用GelMA/dECM复合水凝胶结合微骨折技术加速骨软骨缺损的修复？

EngineeringForLife · 公众号 · · 2025-02-27 00:00

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随着人口老龄化加剧， 骨关节炎（OA） 的病例持续攀升，造成患者的骨软骨损伤和功能障碍，探寻切实有效的治疗手段成为棘手难题。近年来，组织工程为攻克OA治疗困境带来了希望，水凝胶因其具有促进组织再生的效果，为骨软骨损伤的治疗提供了无限可能，然而，水凝胶促进骨软骨再生和抑制软骨细胞死亡的潜在机制仍不确定。

本期，EFL以发表在杂志《Biomaterials》上的 “Collagen hydrogel-driven pyroptosis suppression and combined microfracture technique delay osteoarthritis progression” 研究为例，介绍如何利用 GelMA和脱细胞细胞外基质（dECM）形成复合水凝胶，并结合微骨折技术（MF），在骨软骨缺损和骨髓腔之间建立生物联系，从而加速骨软骨缺损的修复。该研究为骨软骨缺损修复提供了新的治疗思路，并探讨了GelMA/dECM在炎症微环境中的表现及其对 软骨细胞焦亡 和 骨髓间充质干细胞（BMSCs）分化机制 的影响。

GelMA/dECM复合水凝胶的制备过程

（1）本文的GelMA的制备过程如下：

将明胶在60℃溶解于1×PBS溶液，
加入MA，经过透析和冻干后得到GelMA。

（2）本文的dECM的制备过程如下：

收集新鲜猪软骨切成小块，经过脱细胞处理制成dECM，再研磨成粉末备用。

如何利用GelMA/dECM复合水凝胶结合微骨折技术治疗骨软骨缺损？

（1）本文研究示意图

图1 基于GelMA/dECM复合水凝胶用于骨软骨缺损的治疗及其机制研究

（2）GelMA/dECM复合水凝胶的制备与表征

本文所制备的复合水凝胶由GelMA和dECM通过二者的自身特性相互作用形成，dECM能够赋予复合水凝胶更优异的组织特异性和生物活性。微观结构表征显示，dECM经脱细胞处理后，其细胞核和细胞数量显著减少，DNA含量几乎为零，且保留了与正常软骨组织相近的胶原蛋白和糖胺聚糖（GAG）含量。 GelMA/dECM复合水凝胶的粘附性、溶胀率、降解速度和内部机械性能均随GelMA含量的变化而改变 ，通过调整GelMA含量增强了化学交联，研究发现 10%的GelMA/dECM复合水凝胶具有最强的压缩应力和模量 。

图2 GelMA/dECM复合水凝胶的制备及理化特性表征

（3）GelMA/dECM复合水凝胶与软骨细胞的生物相容性探究

其次，本文探究了软骨细胞与GelMA/dECM复合水凝胶之间的相互作用，特别关注软骨细胞的增殖和活力、基质多糖含量以及炎症的变化。研究首先通过活/死染色和CCK-8分析了GelMA/dECM培养的软骨细胞的增殖和活力情况，发现5%和10%的GelMA/dECM能促进软骨细胞增殖，显著提高细胞活力。接着用番红O染色实验发现 GelMA/dECM能提高软骨细胞的基质多糖含量 。最后，通过QRT-PCR实验证实GelMA/dECM不会促进软骨细胞的炎症反应，可安全用于实验研究。从而证实GelMA/dECM复合水凝胶与软骨细胞具有优异的生物相容性。

图3 GelMA/dECM复合水凝胶与软骨细胞的生物相容性探究

（4）软骨细胞焦亡在骨关节炎进展过程中的病理变化

之后，为了更清楚骨关节炎（OA）发病的重要病理机制，作者借助单细胞分析技术，基于亚群特征基因对软骨细胞群体进行分析，并基于基因数据进行差异和总体基因集变异分析（GSVA），同时检测软骨组织中NLRP3和Caspase-1蛋白含量，并对OA软骨组织进行扫描电子显微镜观察。研究发现， OA组织中软骨细胞呈现细胞焦亡的形态特征 ，且OA中相关细胞亚群可显著激活与细胞焦亡相关的PI3K/AKT信号通路，提高组织中NLRP3和Caspase-1蛋白的表达，证实了在OA疾病过程中发生了软骨细胞焦亡，且 细胞焦亡与PI3K/AKT信号通路的激活有关。

图4 软骨细胞焦亡在骨关节炎进展过程中的病理变化

（5）GelMA/dECM对软骨细胞表型维持和焦亡的影响

作者进一步探究了GelMA/dECM复合水凝胶对软骨细胞表型的维持及对焦亡的抑制作用。强调了 GelMA/dECM在OA炎症微环境中对软骨细胞的积极作用。 EDU检测实验结果表明， GelMA/dECM在LPS刺激下仍能促进软骨细胞增殖。 此外，免疫荧光染色和WB结果表明，GelMA/dECM还能促进I型和Ⅱ型胶原蛋白表达，促进软骨生成特征基因表达和软骨标志物蛋白质合成，并抑制炎症状态下焦亡标志物的激活。综上，该研究证实了 GelMA/dECM复合水凝胶可以逆转LPS诱导的炎症反应对软骨细胞增殖的抑制作用 ，并维持软骨细胞表型。

图5 GelMA/dECM对软骨细胞表型的维持及对焦亡的抑制作用

（6）RNA测序分析GelMA/dECM的治疗机制

此外，为了深入研究GelMA/dECM的治疗机制，作者通过RNA测序分析了炎症条件下GelMA/dECM治疗后软骨细胞的mRNA表达谱。运用差异表达分析、GO功能富集、KEGG通路富集和GSEA等方法探究LPS刺激组和GelMA/dECM处理组之间的转录谱差异、DEGs生物学功能及信号通路，发现PI3K-Akt为差异表达基因相关的信号通路。此外，还发现GelMA/dECM治疗

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