本文献为一篇综述论文（属于类型b），题目为《Engineering intervertebral disc regeneration: biomaterials, cell sources and animal models》，发表于 cell proliferation 期刊，2025年第58卷，文章编号e70046。该综述由来自澳大利亚、中国和新加坡的多家研究机构合作完成，主要作者包括sidong yang（杨思东）、farhad soheilmoghaddam、peter pivonka、joan li、samuel rudd、trifanny yeo、ji tu、yibo zhu，通讯作者为justin j. cooper-white，来自澳大利亚昆士兰大学澳大利亚生物工程与纳米技术研究所组织工程与微流控实验室（Tissue Engineering and Microfluidics Laboratory）。该综述系统回顾了2003年至2023年间发表的相关文献，全面总结了椎间盘（intervertebral disc, IVD）组织工程再生领域的研究进展，涵盖生物材料、细胞来源和动物模型三大核心方面。
文章首先阐明了椎间盘退变（intervertebral disc degeneration, IVDD）的临床重要性。IVDD是年龄相关性的椎间盘重塑过程，由蛋白聚糖含量减少引起，导致椎间盘高度下降、软骨终板硬化和骨赘形成。慢性腰背痛（low back pain, LBP）作为IVDD最常见的症状，影响全球超过5.4亿人，已成为全球致残的首要原因。目前的标准手术疗法——摘除退变或突出的椎间盘并融合相邻椎体——虽然能减压并缓解疼痛，但最大的局限在于无法恢复运动节段术后原有的生物力学特性，从而加速相邻节段退变（adjacent segment degeneration, ASD）的发生。这一论断得到了临床观察研究的支持：全椎间盘置换术（total disc replacement, TDR）虽然试图保留运动功能，但其在侧弯、屈伸和轴向旋转方向上的主刚度系数分别降低了100%、91%和98%，表明低摩擦TDR并不能有效复制原生IVD的刚度特性。因此，寻求能够修复和再生IVD结构并恢复功能脊柱单元（functional spinal unit, FSU）生物力学功能的替代方法，成为过去二十余年间的重要研究方向。
文章详细描述了IVD的三部分结构——纤维环（annulus fibrosus, AF）、髓核（nucleus pulposus, NP）和软骨终板（cartilaginous endplates, CEP）——及其各自的组织学来源和细胞组成。AF由成纤维样细胞和I型胶原为主构成；NP来源于脊索，出生后脊索细胞逐渐被软骨样细胞替代，其细胞外基质（extracellular matrix, ECM）富含蛋白聚糖和II型胶原，具有高含水量；CEP连接IVD与椎体，是多孔的透明软骨组织，承担营养扩散通道的功能。在生物力学层面，健康人IVD中NP维持约100 kPa的高渗透压，使AF产生预应变。NP组织在围限压缩下的有效聚合模量约为1.0 MPa，而AF的弹性模量从内层到外层由59 MPa逐渐增至136 MPa，沿纤维轴方向的拉伸模量平均达183 MPa。退变椎间盘在所有区域的残余应力均低于健康椎间盘，且即使在同一应变水平下也无法维持与健康椎间盘相同的拉伸强度。这些生物力学数据为设计再生支架提供了重要的力学参数基准。
由于IVDD主要归因于NP的病变，研究界对IVD细胞表型的研究多集中于NP。文章系统梳理了NP特异性标志物的研究进展。传统的软骨生成标志物——聚集蛋白聚糖（aggrecan, ACAN）、II型胶原α1链（COL2α1）和SOX-9——虽在健康人NP细胞和向NP样细胞分化的间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）中均有表达，但同样存在于AF细胞和关节软骨细胞中，因而缺乏特异性。近年来的研究鉴定出一批更为特异的NP标志物：在多个物种中均发现的角蛋白8/18/19（KRT8/18/19）、N-cadherin和FOXF1；在人类中被验证的碳酸酐酶XII（CA12）、PAX-1、CD24及缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）等。2014年ORS年会上脊柱研究兴趣小组推荐的健康人NP表型标志物组合包括：稳定的HIF-1α表达、GLUT-1、ACAN/COL2α1比值>20、SHH、Brachyury、KRT18/19、CA12和CD24。文章特别指出，缺氧条件（2%或5%氧浓度）能显著改善GDF-5诱导的人MSCs向NP样细胞分化的效果，表现为KRT19、CA12和FOXF1表达升高。这些标志物的鉴定为后续细胞疗法和支架评估提供了分子层面的评价标准。
文章从多个层面阐述了IVDD的发病机制。其核心病理机制包括：机械负荷改变、经CEP钙化导致的营养供应减少、NP细胞衰老与异常凋亡、ECM过度降解以及炎症因子增加。在分子层面，IL-1β、IL-6和TNF-α等炎症细胞因子通过上调MMP-1、MMP-3、MMP-13、ADAMTS-4和ADAMTS-5的表达加速蛋白聚糖和II型胶原的降解。文章还梳理了若干病因学因素：糖尿病中淀粉样蛋白聚集加速IVDD进展；吸烟在人类、大鼠和小鼠模型中均被证实对IVD有负面作用；痤疮丙酸杆菌和凝固酶阴性葡萄球菌感染可直接驱动IVDD进展，且人类IVD中可能存在独特的微生物组，其失调可引发退变；p16基因敲除可抑制氧化应激并促进NP细胞周期从而缓解IVDD；TIMP-3缺乏存在于退变椎间盘中，其过表达可显著减轻IVDD；mitofusin 2的敲低加剧线粒体功能障碍和细胞死亡，过表达则逆转退变进展；PTEN在退变NP中过度表达，导致NP细胞凋亡和衰老增加、ECM合成减少。这些多层面的证据共同构建了IVDD作为多因素、多通路协同作用疾病的病理图景。
文章将用于IVD再生的生物材料分为天然聚合物、合成聚合物和天然/合成复合材料三大类。天然聚合物（如透明质酸、胶原、壳聚糖、藻酸盐、纤维蛋白胶、明胶及脱细胞基质）具有生物可降解性、生物相容性、可再生性和来源广泛等显著优势。其中透明质酸（hyaluronic acid, HA）是研究最为广泛的材料。脱细胞NP基质（decellularised NP matrix）因模拟天然NP结构、保留大部分生物学和生物力学特性且免疫原性低而受到关注，但脱细胞过程可能损伤ECM结构和组成、降低生物力学性能。脱矿骨颗粒（demineralised bone particle, DBP）主要由I型胶原构成并含有多种生物活性分子，有助于AF细胞增殖和ECM产生。小肠黏膜下层（small intestinal submucosa）作为可吸收的胶原基材料，在绵羊模型中能使IVD保持水合并实现66%的功能恢复。然而天然聚合物普遍存在力学性能差、脆性大和溶解过快等缺点。合成聚合物（如PLA、PGA、PLGA、PEG、PCL、PVA和PNIPAAm）在降解速率可调、力学性能可控、微结构可控和免疫原性低等方面具有优势。其中PLGA因良好的生物相容性、乳酸/乙醇酸比例可调性和多样的加工性能成为IVD组织工程中使用最广泛的合成聚合物之一。PLA与PCL共混电纺形成的三维纤维环支架，在牛AF细胞培养中表现出优于纯PCL的生物活性。天然/合成复合材料旨在综合两者的优点，其中HA-PEG和明胶-PEG水凝胶受到较多研究。frith等人开发的HRP/H2O2酶交联HA-PEG可注射水凝胶支持间充质前体细胞（mesenchymal precursor cells, MPCs）增殖和分化长达21天，且HA骨架上结合的戊聚糖多硫酸酯（pentosan polysulphate, PPS）优于游离PPS。Gullbrand等人构建的长程有序PCL纳米纤维AF+HA水凝胶NP复合支架，在山羊颈椎间盘置换模型中8周后T2加权MRI信号增强，压缩力学性能达到与天然颈椎间盘相当的水平，展现出了较强的临床转化潜力。
文章详细总结了用于IVD组织工程的各类细胞来源。在总计72项使用干细胞的工程化研究中，约半数（35项）采用骨髓间充质干细胞（bone marrow-derived MSCs, BM-MSCs），其中6项为自体移植、8项为同种异体移植、11项为异种移植。脂肪来源干细胞（adipose-derived stem cells, ADSCs）是第二常用的细胞来源（19项研究），其能在适当诱导因子作用下表达NP样表型并维持IVD高度、结构和含水量。少数研究比较了不同细胞来源的治疗效果：Malonzo等人的离体牛IVDD模型研究表明，人BM-MSCs在椎间盘腔培养中显著上调ACAN、COL2α1、VCAN和SOX9的表达，而牛NP细胞的基因表达谱保持不变；Henriksson等人的体内小型猪模型研究发现，人BM-MSCs和人软骨细胞均能在猪IVD内存活至少6个月并产生II型胶原，但软骨细胞/HA水凝胶组出现了更严重的退变征象。诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）在IVD工程中的研究仅2项体内研究，虽然体外已证实iPSCs可分化为NP样细胞和脊索样细胞，但其致瘤风险和表观遗传稳定性仍需长期研究。文章还总结了IVD/AF/NP细胞、软骨细胞和成纤维细胞的使用情况，指出同种异体和异种细胞来源在结合生物材料支架的前提下均可在体内存活并促进软骨分化，但免疫排斥问题不容忽视。
文章梳理了在IVD工程中已测试的多种生物活性分子，包括TGF-β1、TGF-β3、BMP-2、BMP-7、GDF-5、GDF-6、PDGF-BB、PPS、CTGF、CS、CCL5、SDF-1、岩藻多糖（fucoidan）和PRP等。关键发现包括：TGF-β1和BMP-2均能促进软骨样细胞增殖和GAG产生，但BMP-2导致更多II型胶原沉积，而TGF-β1增加I型胶原产生和纤维化分化，其机制差异在于TGF-β1在犬中诱导Smad1和Smad2信号而人仅诱导Smad2信号，BMP-2在两种物种中均增加Smad1信号，表明Smad1信号与II型胶原产生相关，而Smad2信号与纤维化分化相关。GDF-5相比TGF-β1能诱导更高水平的NP标志物KRT19和CA12表达及更高ACAN/COL2比值。TGF-β1与GDF-5对人ADSCs向NP样表型分化具有协同效应，其中Smad2/3通路主要调控NP细胞分子表型的获得，而Smad1/5/8通路控制NP细胞形态。GDF-6较TGF-β3和GDF-5更为优越，能诱导人MSCs表达更多NP标志物（KRT8、KRT18、KRT19和Brachyury T）、产生更高ACAN/COL2比值和更多GAG沉积。PPS作为合成的GAG样分子已通过绵羊体内模型验证其IVD修复效果。
本综述的学术价值体现在以下几个方面：其一，它以系统性视角整合了过去二十年（2003–2023）IVD组织工程领域分散的研究成果，为研究者提供了一幅清晰的领域全景图。其二，文章对NP表型标志物的跨物种梳理，明确了当前用于判断干细胞分化成功的分子标准，并指出了物种间标志物差异带来的转化研究挑战。其三，文章对各类生物材料的力学性能与生物学特性的对比分析，为后续支架设计提供了量化参考基准。其四，文章对干细胞来源的比较研究进行批判性审视，指出多数研究缺乏同一模型下不同细胞来源的直接对比，从而无法就最优细胞来源得出确定性结论。
从应用价值来看，该综述指出当前IVD组织工程研究中CEP再生几乎被忽视（仅1项研究），以及异种细胞来源的免疫学问题在体内研究中报告不足等关键空白，为未来研究指明了方向。文章最后强调，全IVD多相生物支架结合干细胞是IVD再生的一个有前景的方向，但从实验室到临床的转化仍需解决细胞表型稳定性、力学性能长期维持和免疫相容性等核心挑战。