亮点
- 外泌体负载水凝胶将生物信号传导与结构支撑相结合，可增强组织再生能力
- 水凝胶提供可调节、生物相容的基质，模拟细胞外环境
- 先进系统包括基于亲和性、刺激响应性以及3D打印的区域支架
- 外泌体–水凝胶复合系统在骨与软骨修复方面优于单一疗法
- 主要挑战包括外泌体异质性、规模化生产、监管障碍及成本问题
摘要
外泌体负载水凝胶作为一种将外泌体的生物活性信号与水凝胶的结构支撑相结合的策略，在骨与软骨再生领域展现出广阔前景。外泌体是纳米级的细胞外囊泡，通过递送蛋白质、核酸和脂质介导细胞间通讯。将其整合到水凝胶中可以保护外泌体免受快速降解，并能在损伤部位实现持续、局部的释放。水凝胶提供了一个生物相容、模拟细胞外基质的环境，具有可调节的物理特性，支持组织修复。近期进展包括基于亲和性的水凝胶、刺激响应性水凝胶以及用于骨软骨应用的3D打印支架。临床前研究表明，与仅使用外泌体或仅使用水凝胶的系统相比，该复合系统显示出更优越的再生效果。然而，外泌体异质性、规模化生产及监管障碍等挑战仍然存在。外泌体工程和智能生物材料的持续创新有望加速临床转化。
引言
骨与软骨损伤在全球范围内仍是一个重大的临床挑战，这归因于它们有限的固有再生能力和与创伤、衰老以及骨关节炎等退行性疾病相关的肌肉骨骼疾病负担日益加重。传统治疗方法包括自体移植、异体移植、合成骨替代物和药物干预等，虽然提供了一定的解决方案，但存在严重的缺陷。自体移植受限于供体部位的发病率和有限的可用性，而异体移植则存在免疫排斥和疾病传播的风险。同样，软骨修复技术如微骨折术、马赛克移植术和自体软骨细胞移植术常常导致形成纤维软骨而非透明软骨，导致力学性能较差且长期效果不佳。这些局限性凸显了迫切需要能够提供功能性和持久性组织修复的新型再生策略。
近年来，再生医学已转向基于细胞的疗法，特别是使用间充质干细胞(MSCs)，因为它们能够分化为成骨和软骨系，并调节免疫环境。然而，干细胞的临床应用受到诸如低植入效率、不受控分化风险、致瘤性以及大规模生产和储存挑战等问题的阻碍。越来越多的证据表明，MSCs的治疗益处主要不是通过直接分化，而是通过分泌生物活性因子，特别是外泌体等细胞外囊泡(EVs)来介导的。根据国际细胞外囊泡学会(ISEV)发布的MISEV2023指南，当无法明确确认确切的生物发生途径时，建议使用"细胞外囊泡"(EVs)这一通用术语。在许多研究中，"外泌体"一词传统上用于描述源自内体途径的小细胞外囊泡(30–150 nm)。在本综述中，术语使用遵循所引用文献中的惯例。当研究根据CD9、CD63和CD81等外泌体标志物对囊泡进行特定表征时，使用"外泌体"一词。否则，使用更广泛的"细胞外囊泡"(EVs)来反映囊泡群体的异质性。
生物制造领域的最新进展，包括刺激响应性水凝胶和3D生物打印，拓展了外泌体–水凝胶复合物的潜力，实现了对释放动力学的精确定时空控制和针对特定缺陷的定制化。在骨再生中，此类系统在临界尺寸缺陷模型中显示出增强的成骨和血管生成能力；而在软骨修复中，它们促进了软骨保护和透明样软骨的恢复。尽管这些结果令人鼓舞，但仍存在若干转化障碍，包括外泌体分离和表征的标准化、水凝胶设计的临床应用优化以及监管审批途径。
本综述旨在全面概述工程化外泌体负载水凝胶在骨与软骨再生方面的进展。我们首先总结了肌肉骨骼修复的基本生物学原理和外泌体的治疗潜力。然后讨论了作为递送载体的水凝胶的设计策略和特性，重点介绍了结合这两种技术的最新工程系统。最后，我们探讨了将这些有前景的生物工程平台从实验室推向临床应用所面临的当前挑战和未来展望。
骨与软骨再生中的关键信号通路
组织修复在骨和软骨中受复杂的信号网络调控，这些网络调节干细胞命运、细胞外基质沉积和血管生成。骨形态发生蛋白(BMP)通路：BMPs是TGF-β超家族的成员，是成骨分化的关键调控因子。BMP2和BMP7刺激MSCs向成骨细胞系分化，增强矿化并促进血管生成。BMP信号还在软骨内骨化过程中促进软骨分化。
外泌体：生物学与治疗潜力
外泌体是纳米级细胞外囊泡(30–150 nm)，由几乎所有细胞类型分泌，作为细胞间通讯的天然媒介。它们起源于内体系统，特别是通过多泡体(MVBs)向内出芽形成，随后与质膜融合将外泌体释放到细胞外空间。从结构上看，外泌体被脂质双层包裹，携带蛋白质、核酸(mRNAs, miRNAs)等生物活性物质。
作为递送平台的水凝胶
水凝胶是三维亲水性聚合物网络，能够保持大量水分同时维持结构完整性。它们的高含水量、可调节的物理特性和生物相容性使其成为生物医学应用的有吸引力候选材料，特别是在骨和软骨组织工程中。对于基于外泌体的疗法，水凝胶作为保护性载体，不仅能在恶劣微环境中稳定囊泡，还能促进其功能发挥。
工程化外泌体负载水凝胶：设计策略
将外泌体整合到水凝胶基质中代表了一种增强其在肌肉骨骼修复中治疗潜力的有力策略。虽然单独的外泌体容易在损伤部位快速清除和滞留率低，但工程化水凝胶可以提供保护环境，实现持续释放，甚至定向调控所包裹囊泡的生物活性。已开发出多种设计策略(见表2)来优化外泌体的装载和释放。
骨再生应用的进展
骨再生仍然是一个重大的临床挑战，特别是在大缺损、骨不连以及骨质疏松或糖尿病等愈合能力受损的情况下。传统植骨策略，包括自体移植、异体移植和合成支架，往往无法满足临床需求。与软骨再生相比，骨再生策略更强调血管生成和成骨能力。最新研究表明，外泌体负载水凝胶系统在临界尺寸骨缺损模型中显示出显著增强的成骨和血管生成效果。
软骨再生应用的进展
与骨不同，软骨的无血管性质和有限的再生能力需要专注于软骨保护和表型维持的策略。软骨由于其无血管性、低细胞密度和有限的内在愈合能力，是一个独特的再生目标。在骨关节炎(OA)和创伤性软骨缺损中，促炎介质(如IL-1β、TNF-α)驱动软骨细胞退化。研究表明，外泌体负载水凝胶系统能够促进软骨保护和透明样软骨的恢复。
外泌体异质性与标准化问题
最大的科学障碍仍然是EV/外泌体的异质性：囊泡组成随细胞来源、培养条件(氧张力、无血清/无异种培养基)以及分离方法而变化，这些变化会以改变效力和可重复性的方式影响尺寸分布、膜蛋白和miRNA含量。2023年国际细胞外囊泡学会指南(MISEV2023)确立了关键质量属性(CQAs)和报告标准(身份、纯度、货物和功能)。
未来展望
通过基因和化学工程对外泌体进行靶向治疗货物改造正在迅速扩展其在肌肉骨骼修复中的精确度和效力。表面配体(如肽/适配体)可以增强对骨软骨组织的归巢能力，而装载策略(电穿孔、膜融合、点击化学)能够富集成骨和软骨再生货物(miRNAs等)。
结论
在过去十年中，外泌体生物学与先进水凝胶工程的融合为再生医学开辟了一个新前沿。外泌体曾经仅被视为细胞废物载体，现在被公认为能够协调血管生成、免疫调节、成骨和软骨生成的强效旁分泌介质。当整合到水凝胶支架中时，它们的治疗潜力得到增强——受到保护免于过早清除，在缺损部位滞留，并实现可控释放。
作者贡献声明
Meenaloshini Gopalakrishnan: 撰写–原始草稿，可视化。Nandhini Jayaprakash: 撰写–审阅与编辑，监督，概念化。
资金声明
作者未获得本工作的特定资助。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在可能被认为影响本文报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。
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