由于外伤、退变、手术切除（如肿瘤）、感染和结缔组织疾病引起的关节部位骨软骨组织缺损在临床上十分常见，常表现为顽固性疼痛、关节活动受限，目前已经成为肢体残障的主要原因，严重影响患者生活质量。骨软骨并非均一性组织，其细胞及基质组成呈现梯度渐变特点，有效保证组织器官的力学承载及应力吸收、分散功能。骨软骨组织结构复杂，其损伤后修复及再生一直是困扰众多科研及临床工作者的难题。近几年来，干细胞移植已经成为器官移植、肿瘤以及心血管疾病等研究或治疗的重要手段，也是世界范围内最重视的领域之一。近期，来自美国加利福尼亚大学Nam教授团队基于不同力学刺激可诱导干细胞多向分化理论，利用力学特性梯度渐变的核壳结构支架成功构建骨软骨梯度分区组织结构。研究团队在核壳结构静电纺丝支架上培养人源间充质干细胞（hMSCs），并施加动态应力刺激，发现应力刺激可影响力学特性梯度渐变核壳支架上细胞基质分泌，这为构建分区差异的骨软骨组织提供了新的思路。
首先，研究者通过调节PEG（核）及PCL（壳）材料比例来设计合适的核壳结构（Fig. 1A-G）,并用PBS洗涤去除中心材料PEG，形成中空管形结构。同时测量不同溶剂比例下核及壳尺寸，发现随着PEG含量增加，孔径尺寸也增加（Fig. 1H），压缩模量（Fig. 1I）及力学性能（Fig. 1J）逐渐降低。进一步通过动态调节PEG-PCL溶剂流速设计梯度渐变核壳结构。如Fig. 2所示，研究者分别设计出单相（Fig. 2A, C）及双相(Fig. 2B, D)梯度3D支架结构。其中单相梯度支架从底部到顶部孔径结构逐渐变小，双相梯度支架从底部到顶部孔径结构先缩小后增加而后再次缩小。
Figure 1. Mechanical properties of core−shell microfibrous scaffolds with various hollow core dimensions.
Figure 2. Synthesis and characterization of microfibrous scaffolds with gradients in the hollow core dimension with respect to the thickness of the scaffold.
研究者进一步通过检测成骨及成软骨相关基因表达分析梯度压缩模量改变对hMSCs分化的影响（Fig. 3）。首先在单向梯度支架上培养21天及49天后发现在底部低压缩模量区域hMSCs中成骨相关基因COL1A1、ON、RUNX2表达增加，而在顶部高压缩模量区域，细胞在成骨诱导培养基下成骨相关基因表达仍受到抑制，相反软骨相关基因表达增加。有趣的是，ACAN及COL2A1在中间区域表达最高，只有润滑关节表面的润滑素相关基因PRG4在顶部高压缩模量区域表达最高。
Figure 3. Osteogenic or chondrogenic differentiation of hMSCs in an engineered linear strain gradient scaffold as determined by relative gene expression.
其次，双相梯度渐变支架顶部及底部低压缩模量区域hMSCs中成骨相关基因（COL1A1、ON、RUNX2）表达增加，而在中间高压缩模量区域细胞中成软骨相关基因（ACAN、COL2A1）表达最高。润滑关节表面的润滑素相关基因PRG4仍是在顶部表达最高，事实上顶部是直接接触外界压缩应力的区域（Fig. 4）。这些结果表明支架压缩模量能显著影响细胞成骨及成软骨基因表达。
Figure 4. Osteogenic or chondrogenic differentiation of hMSCs in an engineered biphasic strain gradient scaffold as determined by relative gene expression.
在组织生长发育过程中，基质沉积尤其关键。本研究中，hMSCs在支架上培养49天后，通过组织学染色分析支架压缩模量对细胞基质分泌的影响。其中茜素红（alizarin red）标记钙沉积，阿尔新蓝（alcian blue）标记糖氨聚糖（GAG）沉积。研究者比较细胞在施加10%压缩应力及静态培养情况下基质沉积情况，发现静态培养的细胞在全层支架中均有较多钙沉积；相比较而言，在施加压缩应力情况下，单相梯度支架顶部及双向梯度支架中部压缩模量最高，茜素红密度最低，而GAG含量随着支架压缩模量增加而增加（Fig. 5）。
Figure 5. Representative histology images of cell/scaffold constructs cultured under various gradient conditions exhibiting different ECM compositions.
综上，Nam教授团队成功模拟出力学特性梯度渐变的静电纺丝支架，该支架在压缩应力刺激下可诱导hMSCs多向分化为成骨或成软骨细胞，进而有效构建骨软骨组织。该研究策略同时也为界面组织工程的研究提供新的思路。
该文章由美国加利福尼亚大学Nam教授团队完成，于11月25日在线发表于ACS Appl Mater Interfaces。
论文信息：
Christopher B. Horner, Maricela Maldonado, Youyi Tai, R. M. Imtiaz Karim Rony, and Jin Nam*. Spatially Regulated Multiphenotypic Differentiation of Stem Cells in 3D via Engineered Mechanical Gradient. ACS Appl Mater Interfaces , DOI:10.1021/acsami.9b17266.
供稿：张维东
审校：袁章琴
编辑：刘长江
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