膝关节软骨一旦受损，很难自行愈合。临床上常用的微骨折手术通过钻通软骨下骨，让骨髓中的干细胞进入缺损区形成修复组织。但遗憾的是，再生出来的多数是纤维软骨，力学强度差，几年后容易退变甚至骨化，疗效并不稳定。如何让植入材料既能在关节活动中稳定存在，又能主动引导干细胞朝着正确的软骨方向分化，是目前修复领域的一大难点。

最近，Nature Communications发表的一项研究提供了一种新思路。研究团队从天然软骨的结构中获得启发：天然软骨中，胶原纤维网络限制了蛋白聚糖的过度膨胀，从而维持组织的力学稳定性。基于这一原理，研究者利用丝素蛋白和巯基化透明质酸，通过静电相互作用和化学共组装，构建了一种人工蛋白聚糖组装体（简称DSPG）。进一步在材料表面接枝生物活性肽，获得具有自激活功能的DSPG@Pep。

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中核心蛋白-透明质酸-胶原相互作用及生物功能，并由此促进软骨再生

结构稳定，抗肿胀抗压缩

与常规材料相比，DSPG展现出明显增强的β-折叠结构，有效杨氏模量达到5.8兆帕，是对照组的3倍。在磷酸盐缓冲液中浸泡30小时后，DSPG几乎不发生形变，吸水率远低于对照材料。压缩测试也证实，DSPG在75%应变下的应力值约为37.5千帕，循环压缩曲线稳定。这些数据说明，通过模拟天然胶原对蛋白聚糖的约束作用，DSPG获得了优异的抗肿胀和抗压缩性能。

图2 | 海绵状SPG与DSPG的溶胀率及尺寸变化

主动募集干细胞，并引导软骨分化

DSPG@Pep最突出的特点在于其自激活功能。体外迁移实验显示，该材料能显著促进骨髓间充质干细胞的纵向和横向迁移。在兔关节软骨缺损模型中植入7天后，DSPG@Pep组缺损区内的干细胞表面标志物（CD73、CD44、CD90）阳性细胞数量最多，说明其内源性干细胞募集能力最强。

在软骨诱导培养21天后，DSPG虽能促进糖胺聚糖和II型胶原分泌，但也增加了X型胶原（软骨肥大标志）的表达。而DSPG@Pep在显著提升糖胺聚糖和II型胶原的同时，降低了X型胶原的水平。定量检测和基因表达分析进一步证实，DSPG@Pep组的糖胺聚糖与DNA比值更高，ACAN、SOX9、COL II基因表达上调，COL I和COL X表达下调。

图3 | GAG/DNA定量分析

调控钙信号通路，降低骨化倾向

转录组学分析揭示了DSPG@Pep的作用机制。与DSPG相比，DSPG@Pep显著下调了钙信号通路相关基因（如CACNA1G、AVPR1A）以及骨化和骨矿化相关基因（EFEMP1、SCUBE3、SPARCL1）。胞内钙离子荧光染色证实，DSPG@Pep维持了较低的胞内钙浓度。此外，该材料降低了整合素β1的聚集，提高了N-钙黏素的聚集，从而减少了整合素介导的细胞基质相互作用，抑制了骨化倾向。

图4 | 钙离子荧光探针染色的共聚焦显微镜图像

兔和猪模型验证软骨再生效果

在兔膝关节全层软骨缺损模型中，术后20周，DSPG@Pep组的缺损区被新生软骨完全覆盖，与周围天然软骨整合良好，软骨厚度接近天然组，软骨下骨结构完整。组织学染色显示新生软骨呈透明软骨样，II型胶原和润滑素表达阳性，胶原纤维呈垂直排列，表面平整。

在更大的巴马猪模型中，术后5个月，DSPG@Pep组同样形成了光滑连续的新生软骨，CT和磁共振成像显示软骨下骨损伤得到明显修复，新生软骨基质和胶原纤维排列接近天然软骨。

结语

这项研究构建的人工蛋白聚糖组装体DSPG@Pep，从天然软骨的结构和功能中汲取灵感，实现了抗肿胀、抗压缩和抗降解的力学稳定性，同时通过活性肽接枝获得了募集内源性干细胞、诱导软骨分化并抑制骨化的自激活能力。兔和猪两种动物模型均证实其能有效改善微骨折术后的关节软骨修复效果。这一策略为内源性软骨再生提供了一种具有临床转化潜力的新材料方案。（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 Commun17, 324 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-025-67035-6