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在软骨修复研究中，常规水凝胶限制软骨类器官形成和修复效果。研究人员开展超动态水凝胶促进软骨再生研究，发现 HA - TP 水凝胶可促进软骨类器官形成、增强组蛋白乳酸化，在动物模型中显著提升软骨修复效果，为软骨再生治疗提供新方向。
在人体的关节中，软骨就像一层 “天然减震垫”，默默守护着骨头，减少它们之间的摩擦，让我们能够自由活动。然而，由于各种原因，软骨损伤却时有发生，比如运动损伤、年龄增长带来的磨损等。一旦软骨受损，不仅会影响关节的正常功能，还会给患者带来疼痛和行动不便。目前，软骨修复的方法有很多，但都存在一些问题。其中，使用水凝胶作为修复材料时，传统的共价交联水凝胶网络动力学有限，无法适应细胞增殖和聚集时的体积变化，这就限制了软骨类器官的形成和软骨修复的效果。所以，寻找一种更有效的水凝胶材料，促进软骨再生，成为了科研人员亟待解决的难题。
为了攻克这一难题，来自中国的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们通过一系列实验，发现了一种超动态水凝胶（HA - TP），这种水凝胶能够促进软骨类器官的形成，增强细胞间的相互作用，建立缺氧微环境，诱导间充质干细胞（MSCs）的代谢重编程，使其向糖酵解方向转变，进而提升组蛋白乳酸化水平，促进软骨再生。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为软骨损伤的治疗带来了新的希望。
在研究过程中，研究人员用到了几个关键技术方法。首先是微流变分析，通过追踪水凝胶中纳米颗粒的运动，来研究水凝胶的微观网络动力学；其次是表面等离子共振（SPR）技术，用于探究宿主 - 客体复合物的结合动力学和热力学平衡常数；此外，还运用了染色质免疫沉淀测序（ChIP - seq）技术，深入分析组蛋白乳酸化修饰与基因表达之间的关系。
超动态水凝胶促进软骨类器官形成
研究人员利用 β - 环糊精 - 4 - 叔丁基苯基（CD - TP）和 β - 环糊精 - 胆酸（CD - CA）两种宿主 - 客体复合物作为物理交联剂，制备了超分子 HA - TP 和 HA - CA 水凝胶。微流变分析表明，HA - TP 水凝胶的纳米颗粒布朗运动距离更远，其网络动力学更强。SPR 实验显示，HA - TP 水凝胶的交联结构更具动态性。将人 MSCs（hMSCs）分别封装在两种水凝胶中培养，HA - TP 水凝胶能促进 hMSCs 增殖、迁移并形成大的多细胞软骨类器官，而 HA - CA 水凝胶中的细胞则大多保持孤立状态。
超动态水凝胶促进细胞间相互作用
将 hMSCs 封装在 HA - TP 和 HA - CA 水凝胶中培养，HA - TP 水凝胶中的细胞在 3 天内就开始大量增殖形成可见的软骨类器官，且平均尺寸更大。EdU 染色显示，HA - TP 水凝胶中的细胞增殖率更高。免疫荧光染色发现，HA - TP 水凝胶中形成的软骨类器官早期 N - cadherin 表达上调，促进了细胞凝聚和细胞间相互作用。此外，HA - TP 水凝胶中的软骨类器官沉积了更多的 II 型胶原蛋白和聚集蛋白聚糖等软骨基质成分，且抑制了肥大分化。
软骨类器官中的缺氧微环境驱动代谢转变
利用 Image - iT green 探针检测发现，HA - TP 水凝胶中生长的软骨类器官中心缺氧区域明显增大，而 HA - CA 水凝胶中的单细胞则几乎没有缺氧迹象。透射电镜显示，HA - TP 水凝胶中软骨类器官内部细胞的线粒体形态发生改变，这表明缺氧微环境改变了线粒体的形态和功能。免疫荧光染色和 qPCR 结果表明，HA - TP 水凝胶中 HIF - 1α 表达上调，同时软骨类器官发生代谢转变，糖酵解相关基因表达增加，氧化磷酸化相关基因表达降低。
缺氧诱导的组蛋白乳酸化在增强软骨形成中的关键作用
研究发现，HA - TP 水凝胶中的软骨类器官产生和积累的乳酸更多，乳酸脱氢酶（LDH）活性更高，相关标记基因表达也上调。免疫荧光染色显示，HA - TP 水凝胶中软骨类器官的组蛋白赖氨酸乳酸化（Kla）和 H3K18la 修饰水平更高。体内实验也证实了 HA - TP 水凝胶能诱导 MSC 聚集和组蛋白乳酸化。ChIP - qPCR 结果表明，H3K18la 在软骨形成相关基因启动子区域富集。抑制 LDH 活性会减少软骨形成相关转录因子的表达和软骨基质的沉积，而添加乳酸则会促进相关蛋白的表达。
组蛋白乳酸化通过调节软骨形成基因的转录可及性促进软骨类器官形成
ChIP - seq 结果显示，组蛋白乳酸化修饰在启动子区域高度富集，与 HA - CA 组相比，HA - TP 组有更多与乳酸化修饰相关的差异基因，其中包括经典的软骨形成转录因子、软骨基质成分相关基因和软骨形成生长因子相关基因。基因本体（GO）分析表明，这些基因富集在与低氧反应、软骨基质生物合成、软骨细胞增殖分化等相关的生物学功能中。这说明增强的组蛋白乳酸化可增加软骨形成关键过程相关基因的转录可及性，促进软骨类器官形成。
超动态水凝胶促进软骨修复
在大鼠和猪的软骨缺损模型中，HA - TP 水凝胶均表现出良好的修复效果。在大鼠模型中，HA - TP 水凝胶促进了透明软骨和软骨下骨的再生，组织学评分更低，且形成了清晰的软骨 - 骨界面。在猪模型中，植入的无细胞 HA - TP 水凝胶海绵促进了内源性细胞的招募和组蛋白乳酸化，修复后的软骨表面光滑，与周围健康组织相似，且表达关键的软骨形成标记物。
研究结论表明，超动态 HA - TP 水凝胶通过促进软骨类器官形成、增强细胞间相互作用、建立缺氧微环境、诱导代谢重编程和提升组蛋白乳酸化水平，显著促进了软骨再生。这一研究不仅为理解细胞发育、代谢重编程和表观遗传修饰之间的关系提供了新视角，还为开发有效的细胞治疗生物材料提供了理论依据和实践指导，有望推动软骨损伤治疗领域的发展，让更多患者受益。
